组学大数据平台在肿瘤精准医疗中的应用ppt课件

Chinese Academic of Medical Science Center of System Medicine 组学大数据平台在肿瘤精准医疗中的应用组学大数据平台在肿瘤精准医疗中的应用 医疗行业产生大量数据 非结构化文本 病案记录 检查报告 手术记录 病历报告 图像 照片等二维图像 病理学切片扫描 CT、 MRI等三维图像 电生理数据 无创脑电图 术中脑电监护 SEEG 结构化文本 病案首页 医嘱 视频 显微镜视频信号 内镜视频信号 24小时脑电检测视频 组学数据 微生物组 基因组 代谢组 蛋白组 表型组 临床数据来源和分析 临床数据来源： 年龄 性别 过敏情况 药物测试 疾病详情 家族史 药物接受和排斥 曾使用剂量水平生存率诊断测试 手术 临床数据分析： 生存分析 预测 组学数据来源和分析 全基因组 全外显子组 /靶向测序 转录组 mRNA测序 甲基化组学测序 ChiP-seq测序 小插入 /缺失 点突变 拷贝数变异 结构变异 差异分析 融合基因 可变剪切 RNA编辑 甲基化位点 组蛋白修身 转录因子结合位点 突变的功效分析 功能，网络和通路 分析 整合分析 理解病 理机制 并应用 于临床 技 术 数据分析 数据整合及解读患 者 蛋白质组学 磷酸化组学 差异分析 磷酸化位点分析 新生 /新肽段分析 16s rDNA测序 , 宏基因组测 序 其他微生物组学 物 种及功能组成 物种差 异分析 功 能差异分 析 与疾病的关联分析 宏基因组深度挖掘 挖掘组间物种、功能差异 样品聚类分析（肠型） 拷贝数变异：挖掘功能变化 从宏基因组数据中组装单菌 菌群、表型、临床数据关联分析 耐药基因挖掘CAG/MGS/MLG分析：从种或菌株层级挖掘物种变化 多组学联合分析 微生物组在肿瘤免疫治疗中的应用 期刊： Science 发表时间： 2017.11 实验设计： 249名接受过抗 PD-1免疫疗法的肺癌、肾癌等多种 不同的癌症；免疫治疗前 69名患者接受了抗生素的治疗； 研究技术： 粪便宏基因组测序 验证： 无菌小鼠 FMT（粪菌移植）验证； 结果： 1）抗生素治疗的患者，癌症很快出现复发，生存时间也 更短； 2）恢复较好的患者体内， Akkermansia muciniphila 的益生菌丰度更高，对癌症免疫疗法还有促进作用； 3）接受了 “ 起效者 ” 粪便的小鼠对于 PD-1抑制剂的 反应要明显优于接受了 “ 无效者 ” 粪便的小鼠，后者在口服 Akkermansia muciniphila后，能恢复对免疫疗法的反应。 医生目前面临决策的信息维度大大增加 Hawgood S, Hook-Barnard IG, OBrien TC, Yamamoto KR. Precision medicine: Beyond the inflection point. Science translational medicine 2015;7:300ps17. 癌症专家助手 阅读 和 记忆学习 医 疗文献、临床指导和 医学指南 将病人和临床试验 方案进行匹配 持续不断的学习 从不断增加的病人的 组学数据和临床数据 中不断学习 依据最新用药指 导推荐 潜在的治 疗选择方案 Watson医生 由 IBM公司开发 人工智能系统 询问病人的病征、病史 人工智能技术 自然语言的处理 和分析技术 从各个渠道搜集到的信息和数据 迅速给出 诊断提示和治疗意见 针对个人进行纵向密集数据收集可以揭示分子疾病标志物 前瞻性 108个人 全基因组测序分析 临床检测分析 蛋白质组学分析 代谢组学分析 微生物群落分析（对 16S rRNA进行 测序） 参与者配戴活动跟踪器监测日常活动 创立相关性网络 关联分析 鉴定已知和候选标志物 Meta分析 Price N D, Magis A T, Earls J C, et al. A wellness study of 108 individuals using personal, dense, dynamic data cloudsJ. Nature Biotechnology, 2017, 35(8):747. 在癌症治疗中的联合用药 不同癌症分期的医学研究 基因和分子诊断 肿瘤信息学 传统中药 数学分析 治疗毒性评价 个性化用药 利用深度学习和关联规则挖掘预抗癌药物反应 数据来源：药物基因组 689个癌症细 胞系和 139种抗癌药物。来自 CCLP和 GDSC. 规则关联挖掘 深度学习 预测药物反应 深度挖掘 数据中心 检测方案 数据资源库 (Data Base) 数据分析平台 (PipeLine) 知识库 (Knowledge Base) 精准医疗平台 (组学数据 + 临床数据 ) 荧光定量 PCR、基因芯片 、 SNP分型、 二代测序 组学大数据平台与精准医疗 用药指导 药物推荐 联合用药指导 药物不良反应评估 辅助诊疗 预测生存期 发现新疗法 治疗方案 预后方案 辅助科研 致病基因 肠道菌群 药物代谢 /靶标 肿瘤驱动基因 临床数据 年龄 性别 过敏情况 药物测试 疾病详情 家族史 药物接受和排斥 曾使用剂量水平 生存率诊断测试 手术 组学检测数据 基因组 转录组 蛋白组 代谢组 表观组 微生物组 暴露组 临床数据 数据脱敏 标准化结构化 Pipleline 组学数据分析 注释整合 公共数据库整合 TCGA ICGC GO KEGG ParmGKB GEO DO 数据库 知识库 深度学习 数据模型 知识图谱 文献收集 临床指南 诊断路径 用药指导 组学大数据平台在肿瘤精准医疗中的应用 医院业务 数据 非结构化 电子病历 外部文件 HIS 系统 EMR 系统 LIS 系统 系统 PACS 系统 医院业务系统 及数据源 医院数据中心医院数据来源 数据汇聚 数据抽取 数据整合 数据关联 数据存储 结构化处理 数据汇聚整 合服务 非结构化 抽取服务 数据转换 清洗与标 准化服务 数据比对 数据清洗 标准化处理 医院 标准化数据 中心 备份库 (ODS) 临床主题库 经营主题库 管理主题库 主题库 非标准化 临床数据中心 A病种标准 主题库 B病种标准 主题库 .标准 主题库 专题统计库 专题分析库 专题应用库 标 准 化 数 据 中 心 医院级 临床数据智 能采集系统 统 计 分 析 可 视 化 呈 现 搜 索 导 航 深 度 挖 掘 互 联 互 通 常规 共享应用 服务 专题应用定制服务 深度挖掘分析服务 医疗大数据 应用服务 医疗大数据来源 左侧中央型 肺鳞癌 并纵膈淋巴结转移 原发性 支气管肺癌 左上肺中央型 肺癌 1 2 3 4 左肺 小细胞癌 广泛期 原发性支气管 肺癌 左下肺腺癌 例如： 左侧中央型 肺鳞癌 并 纵膈淋巴结 转 移 1.诊断名称： 肺癌 2.部位分型： 中央型 3.病理类型 ： 鳞癌 4.病灶部位： 左侧 5.转移部位： 纵膈淋巴结 将 不同描述的诊断 转化成统一的 标准化诊断 ，并且 保留 诊断中的重要信息。 医学术语标准化 患者不慎 摔伤 ，伤后 神 志不清约 30余秒， 后可 唤醒， 体温正常（ 36.5 ） ， 感头痛明显 ， 左侧鼻腔内有少量鼻 血 。于我院行 腹部 B超及 胸片，未见明显异常 。 入院体格检查：肠鸣音 正常，约 4次 /分。 现有电子病历检查描述 指标名称指标名称 结果结果 摔摔 伤伤 有有 神志不清神志不清 30余秒余秒 体体 温温 36.5 头头 痛痛 明显明显 左侧鼻腔左侧鼻腔 少量流血少量流血 腹部腹部 B超超 未见明显异常未见明显异常 胸胸 片片 未见明显异常未见明显异常 处理后的结构化检查描述 将 自然语言描述 的电子病历转化 成结构化、标准化 的电子病历 临床数据结构化 覆盖各种可能的组学 组学数据 基因组学数据 转录组学数据 蛋白组学数据 表型组学数据 代谢组学数据 微生物组学数据 组学数据格式 fasta/fastq/vcf/sa m/bam/gff3/gff2/ gtf/bed/ Metabolic Networks Repli-Seq Systerms Biology Phenomics Chlp-Seq DNA-Seq RNA-Seq Exome-Seq Small RNA-Seq Population Genetics MicroarrayGWAS Metagenomics Prote omics 组学数据来源 荧光定量 PCR 基因芯片 SNP分型 二代测序 检测 组学数据汇集 组学数据来源 TCGA 癌症基因信息的数据库 TGDB 肿瘤基因数据库 ICGC 国际癌症基因组联盟 Oncomine 肿瘤基因芯片数据库 CGAP癌症基因数据库 MethylCancer DNA甲基化与癌症数据库 NCBI美国国家生物技术信息中心 美国国家健康研究所、国家医学图书馆 EBI欧洲生物信息研究所 欧洲分子生物学实验室 DDBJ 日本 DNA数据库 日本研究机构 BIGD 生命与健康大数据中心 北京科学院北京基因研究所 综合数据库 肿瘤相关数据库 组学数据分析处理流程 用药指导 药物推荐 联合用药指导 药物不良反应评估 辅助诊疗 预测生存期 发现新疗法 治疗方案 预后方案 辅助科研 致病基因 肠道菌群 药物代谢 /靶标 肿瘤驱动基因 临床数据 年龄 性别 过敏情况 药物测试 疾病详情 家族史 药物接受和排斥 曾使用剂量水平 生存率诊断测试 手术 组学检测数据 基因组 转录组 蛋白组 代谢组 表观组 微生物组 暴露组 临床数据 数据脱敏 标准化结构化 Pipleline 组学数据分析 注释整合 公共数据库整合 TCGA ICGC GO KEGG ParmGKB GEO DO 数据库 知识库 深度学习 数据模型 知识图谱 文献收集 临床指南 诊断路径 用药指导 组学大数据平台在肿瘤精准医疗中的应用 辅助诊疗 医生初步检查 辅助诊疗 根据类似患者信息，精确匹配 最佳诊疗方案 ，快速诊断、准确用药、 提高诊疗水平 。 最佳诊疗 方案推荐 辅助诊疗 预测生存期 发现新疗法 治疗方案 预后方案 病历系统 疾病知识图谱 疾病病史 检验 用药症状 预后 组学 诊疗 “ 统计关联网络 ” 病史采集 患者候选疾病 : 患病概率 高于阈值 诊断 模型 主诉： XXX 现病史： XXX 家族史：推断可能疾病 患病概率 低于阈值 推荐采集 更多信息 辅助诊断 动态辅助诊断 确 诊 检测系统 致病基因 肠道菌群 药物代谢 /靶标 肿瘤驱动基因 辅助科研 疾病 医生患者 药品 表型 药效关系 药品 研 发 改 进 疾 病 史 分 析 临床表型分析 从而发现 疾病新分类 用药 效果 分析 从而发现 新药效 用药 效果 分析 治 疗 效 果分 析 合 理 用 药 疾病 医生患者 药品 表型 药效关系 药品 研 发 改 进 疾 病 史 分 析 临床表型分析 从而发现 疾病新分类 用药 效果 分析 从而发现 新药效 用药 效果 分析 治 疗 效 果分 析 合 理 用 药 药物推荐 联合用药指导 药物不良反应评估 用药指导 深度挖掘 数据中心 检测方案 数据资源库 (Data Base) 数据分析平台 (PipeLine) 知识库 (Knowledge Base) 精准医疗平台 (组学数据 + 临床数据 ) 荧光定量 PCR、基因芯片 、 SNP分型、 二代测序 组学大数据平台与精准医疗 乳腺癌组学数据分析与可视化平台 BCIP 建立了以 基因为中心的乳腺癌数据 分析平台。 分析处理了来自 TCGA、 metabric 、 GEO三大数据库中的 30个数据集的 数据，包含 9000多个组织样本。样本 的临床数据包括癌症分型、分期、是否 绝经、预后、 ER、 PR、 Her2+、 P53突变、年龄等。 方便生物医学工作者，对关注的基 因进行检索，从差异表达分析、生存分 析、共表达分析、 KEGG代谢通路等多 个层次进行分析并 可视化展示 。 辅助识别乳腺癌的调控和驱动基因 ，找到乳腺癌研究和治疗的潜在的生物 标志物。 平台简介 网址 ： /bcancer/ 文章 ： BCIP: a gene-centered platform for identifying potential regulatory genes in breast cancerJ. Scientific Reports, 2017, 7. DOI: doi:10.1038/srep45235 影响因子： 4.259 PMID: 28327601 案例成果 文章发表于 2017年 Scientific Reports 乳腺癌数据库平台网站 15个临床特征 三阴 /非三阴型 PAM50型 组织学分级 病理分期 转移状态 淋巴结转移 ER PR Her2+ TP53突变 是否绝绝经 年龄 肿瘤大小 疗效 预后 临床特征 抽提 生存分析 MELK的过量表达与较差预后相关 表明 MELK与 基底样乳腺癌 相关 拷贝数变化 在 METABRIC数据集 PAM50亚型中拷贝数减少 和增加的百分比情况 差异表达分析 肿瘤组织相比于周围正常组织， MELK的表达量要高出许多 PAM50型乳腺癌中的基底样乳腺癌 ， MELK的表达量最高。 共表达分析 分析 MELK影响基底样乳腺癌的机理 在基底样乳腺癌的 METABRIC数据集中， MELK与包括 CDCA5,TPX2和 CEP55在内的 78个基因共表达。 一些研究已经阐述了 TPX2和 CEP55是参与 乳腺癌转移、侵袭、增殖和扩散的关键分 子。 CDCA5也被报道在肺癌中起关键作用 ，并可作为口腔鳞细胞癌的治疗靶点。 这些结果都可以作为挖掘 MELK在乳腺癌中 的潜在功能和机制的有用线索。 肿瘤组织相比于周围正常组织， MELK的表 达量要高出许多 miRNA靶相互作用分析 发现 hsa-miR-193b- 3p and hsa-miR- 372-5p与 miRNA靶 相互作用有关 KEGG通路分析 深度挖掘 数据中心 检测方案 数据资源库 (Data Base) 数据分析平台 (PipeLine) 知识库 (Knowledge Base) 精准医疗平台 (组学数据 + 临床数据 ) 荧光定量 PCR、基因芯片 、 SNP分型、 二代测序 组学大数据平台与精准医疗 Integration of Exoseq and RNAseq data for tumor antigen profiling pipeline pVAC-Seq (personalized Variant Antigens by Cancer Sequencing) 输入数据的准备 （全基因组与全外显子组测序） BWA;SAMtools;VarScan somatic;Strelka;Tophat;Ovation;Tr useq;Cufflinks Variant Effect Predictor VEP 抗原表位预测 FASTA文件生成 运行抗原预测软件 NetMHC 结果解析 整合测序信息 Coverage & Variant Allele Frequency (VAF) 候选抗原的过滤 深度过滤 基因表达 Hundal J, Carreno B M, Petti A A, et al. pVAC-Seq: A genome- guided in silico, approach to identifying tumor neoantigensJ. Genome Medicine, 2016, 8(1):11. 深度挖掘 数据中心 检测方案 数据资源库 (Data Base) 数据分析平台 (PipeLine) 知识库 (Knowledge Base) 精准医疗平台 (组学数据 + 临床数据 ) 荧光定量 PCR、基因芯片 、 SNP分型、 二代测序 组学大数据平台与精准医疗 人体自免疫的抗原数据库平台