Multi-modal optimization to identify personalized biomarkers for disease prediction of individual patients with cancer

个性化医疗 计算机科学 生物标志物 精密医学 情态动词 基因组学 生物标志物发现 计算生物学 生物信息学 医学 基因组 蛋白质组学 生物 病理 基因 生物化学 化学 高分子化学
作者
Jing Liang,Zongwei Li,Caitong Yue,Zhuo Hu,Han Cheng,Zexian Liu,Wei-Feng Guo
出处
期刊:Briefings in Bioinformatics [Oxford University Press]
卷期号:23 (5) 被引量:16
标识
DOI:10.1093/bib/bbac254
摘要

Abstract Finding personalized biomarkers for disease prediction of patients with cancer remains a massive challenge in precision medicine. Most methods focus on one subnetwork or module as a network biomarker; however, this ignores the early warning capabilities of other modules with different configurations of biomarkers (i.e. multi-modal personalized biomarkers). Identifying such modules would not only predict disease but also provide effective therapeutic drug target information for individual patients. To solve this problem, we developed a novel model (denoted multi-modal personalized dynamic network biomarkers (MMPDNB)) based on a multi-modal optimization mechanism and personalized dynamic network biomarker (PDNB) theory, which can provide multiple modules of personalized biomarkers and unveil their multi-modal properties. Using the genomics data of patients with breast or lung cancer from The Cancer Genome Atlas database, we validated the effectiveness of the MMPDNB model. The experimental results showed that compared with other advanced methods, MMPDNB can more effectively predict the critical state with the highest early warning signal score during cancer development. Furthermore, MMPDNB more significantly identified PDNBs containing driver and biomarker genes specific to cancer tissues. More importantly, we validated the biological significance of multi-modal PDNBs, which could provide effective drug targets of individual patients as well as markers for predicting early warning signals of the critical disease state. In conclusion, multi-modal optimization is an effective method to identify PDNBs and offers a new perspective for understanding tumor heterogeneity in cancer precision medicine.
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