基于单样本边扰动网络的癌症个体化诊疗研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61902144
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0213.生物信息计算与数字健康
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Precision medicine is emerging as a key paradigm for cancer treatment, which aims to treat cancers in accordance with their distinct characteristics. Compared to the traditional ways of classifying cancers based on their mutation patterns, gene network-based characterization of a cancer can capture more accurately the true essence of each disease. In this project, we propose to use differential co-expression information of expressed genes in a cancer to represent the disease. We will first build a co-expression network for samples at the same TNM stage for the target cancer type and provided transcriptomic data, and then stage each new sample based on the similarity between the co-expression patterns of the sample and the constructed co-expression network for each stage, using a new method named single-sample edge perturbation network (SSEPN) for derivation of a co-expression network of a single sample. We will then infer the most significant edges (co-expressed gene pairs) in the network measured in terms of their level of impact in disrupting the overall network when altered, hence providing possible drug targets for the specific cancer case. A new algorithm will be developed to predict the impact of each such edge using information from the Connectivity Map, a popular database containing information about the impact levels of individual edges on an overall network when they are each perturbed, as well as information regarding the relationships between expression levels of individual genes and the survival rates of a cancer from the TCGA database. A few technical problems will be solved to accomplish this goal using a multi-variate regression and 0/1 integer programming. The deliverable of the project is an algorithm/program for predicting the most effective drug targets for a given cancer tissue sample and its transcriptomic data, along with a database for co-expression networks for each TNM stage of each cancer type in the TCGA database. We anticipate that this new capability should have wide applications for suggesting drug targets for individual cancer patients, assuming the relevant data are available. In addition, the methodology developed here should have applications in other areas of bioinformatics and systems biology.
个体化分子诊断和用药在癌症治疗上的作用日益突出,已成为癌症研究领域的重要前沿课题。相比于单个分子,网络生物标志物可在系统水平上更好地表征样本的状态。本项目利用基因表达数据计算基因间的共表达关系,在癌症各分期上分别构建精简的共表达网络;提出了一种构建单样本边扰动网络(SSEPN)的方法,通过计算网络扰动性对样本进行分期预测;进一步通过构建cox多元回归模型,获取与生存率最为相关的边扰动(即差异共表达基因),用于样本预后预测,并对其进行机理分析;充分利用CMap的数据,通过差异共表达分析获得药物对癌细胞共表达网络的影响,在蛋白质互作网络的映射下,结合癌症各分期网络及SSEPN的特征,通过0-1规划结合递归特征消除的方法,为个体提供最佳的用药方案。该研究成果对于癌症病人的个体化诊断和用药指导等问题具有重要意义,研究思路与方法也将为生物信息学和系统生物学等相关领域的深入研究起到积极的促进作用。

结项摘要

个体化分子诊断和用药在癌症治疗上的作用日益突出,已成为癌症研究领域的重要前沿课题。相比于单个分子,生物分子间网络可在系统水平上更好地表征样本的状态。 本项目以转录组和基因组数据为研究对象,以微环境压力下癌症演化的思想为指导,利用数据挖掘和复杂网络分析技术,识别个体癌症发生发展驱动力,从而实现精准诊疗。研究内容包括:构建单样本边扰动网络,在此基础上结合机器学习方法预测癌症样本分型;开发差异共表达分析方法识别癌症发展过程中一系列的生物网络变化、关键基因及生物过程;结合病人的基因型,综合评估药物对个体的逆转效应和副作用;进一步基于变分自编码器的因果推断方法,在去除混杂效应的同时进行反事实推断,识别个体致病驱动突变和评估个体药物效果,真正实现精准诊疗。.针对关键学术问题,围绕整体研究目标,项目顺利开展,项目申请人在国际著名期刊发表论文11篇,申请国家专利1项,发布了1个癌症精准药物推荐的平台。获得的重要结果包括 (1)提出了基于单样本边扰动网络的癌症精准分型方法;(2)从炎-癌转化角度,识别出驱动癌症发生的关键微环境驱动力,提出肿瘤发生发展的新机理模型;(3)提出了基于因果推断的个体致病驱动突变识别和个体药物推荐方法;.课题研究对于理解癌症发生发展原理,完善个体网络的基础理论和应用具有积极推动作用。该研究成果对于癌症病人的个体化诊断和用药指导等问题具有重要意义。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(4)
专利数量(1)
Identification of key somatic oncogenic mutation based on a confounder-free causal inference model.
基于无混杂因素因果推理模型识别关键体细胞致癌突变
  • DOI:
    10.1371/journal.pcbi.1010529
  • 发表时间:
    2022-09
  • 期刊:
    PLoS computational biology
  • 影响因子:
    4.3
  • 作者:
  • 通讯作者:
CaMeRe: A Novel Tool for Inference of Cancer Metabolic Reprogramming
CaMeRe:推断癌症代谢重编程的新工具
  • DOI:
    10.3389/fonc.2020.00207
  • 发表时间:
    2020-02-25
  • 期刊:
    FRONTIERS IN ONCOLOGY
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    Li, Haoyang;Zhou, Juexiao;Xu, Ying
  • 通讯作者:
    Xu, Ying
Metabolic Reprogramming in Cancer Is Induced to Increase Proton Production
癌症中的代谢重编程被诱导以增加质子的产生
  • DOI:
    10.1158/0008-5472.can-19-3392
  • 发表时间:
    2020-03-01
  • 期刊:
    CANCER RESEARCH
  • 影响因子:
    11.2
  • 作者:
    Sun, Huiyan;Zhou, Yi;Xu, Ying
  • 通讯作者:
    Xu, Ying
Molecular Subtyping of Cancer Based on Distinguishing Co-Expression Modules and Machine Learning.
基于区分共表达模块和机器学习的癌症分子亚型
  • DOI:
    10.3389/fgene.2022.866005
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Frontiers in genetics
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Sun P;Wu Y;Yin C;Jiang H;Xu Y;Sun H
  • 通讯作者:
    Sun H
Molecular Subtyping of Cancer Based on Robust Graph Neural Network and Multi-Omics Data Integration.
基于鲁棒图神经网络和多组学数据集成的癌症分子分型
  • DOI:
    10.3389/fgene.2022.884028
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Frontiers in genetics
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
  • 通讯作者:

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其他文献

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孙慧妍的其他基金

面向癌症驱动因子识别及其调控作用预测的因果推断方法研究
  • 批准号:
    62372210
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    51 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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