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Pathformer: a biological pathway informed transformer for disease diagnosis and prognosis using multi-omics data

可解释性 计算机科学 液体活检 组学 串扰 生物信息学 癌症 计算生物学 机器学习 医学 生物 内科学 物理 光学
作者
Xiaofan Liu,Yuhuan Tao,Zexiang Cai,Pengfei Bao,Hongli Ma,Kexing Li,Mengtao Li,Yunping Zhu,Zhi John Lu
出处
期刊:Bioinformatics [Oxford University Press]
标识
DOI:10.1093/bioinformatics/btae316
摘要

Abstract Motivation Multi-omics data provide a comprehensive view of gene regulation at multiple levels, which is helpful in achieving accurate diagnosis of complex diseases like cancer. However, conventional integration methods rarely utilize prior biological knowledge and lack interpretability. Results To integrate various multi-omics data of tissue and liquid biopsies for disease diagnosis and prognosis, we developed a biological pathway informed Transformer, Pathformer. It embeds multi-omics input with a compacted multi-modal vector and a pathway-based sparse neural network. Pathformer also leverages criss-cross attention mechanism to capture the crosstalk between different pathways and modalities. We first benchmarked Pathformer with 18 comparable methods on multiple cancer datasets, where Pathformer outperformed all the other methods, with an average improvement of 6.3%-14.7% in F1 score for cancer survival prediction, 5.1%-12% for cancer stage prediction, and 8.1%-13.6% for cancer drug response prediction. Subsequently, for cancer prognosis prediction based on tissue multi-omics data, we used a case study to demonstrate the biological interpretability of Pathformer by identifying key pathways and their biological crosstalk. Then, for cancer early diagnosis based on liquid biopsy data, we used plasma and platelet datasets to demonstrate Pathformer’s potential of clinical applications in cancer screening. Moreover, we revealed deregulation of interesting pathways (e.g., scavenger receptor pathway) and their crosstalk in cancer patients’ blood, providing potential candidate targets for cancer microenvironment study. Availability Pathformer is implemented and freely available at https://github.com/lulab/Pathformer. Supplementary information Supplementary data are available at Bioinformatics online.
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