JP6948722B2 - Detection device and detection program - Google Patents
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Description
本発明は、生体に関する測定により得られた複数の因子項目の測定データに基づいて、疾病に関する状態を検出する検出装置、及び前記検出装置を実現するための検出プログラムに関する。 The present invention is based on the measurement data of a plurality of factors items obtained by measurements on biological, detecting device for detecting the state related diseases, related detection program for realizing及beauty the detection device.
様々な研究結果によると、多くの疾病、特に複雑な疾病の悪化進行のプロセスは、気候システム、生態システム、経済システム等のシステムと同様に、ある臨界閾値を超えた時点、いわゆる分岐点に達すると、状態遷移が突然発生し、健康状態から急激に疾病状態に変化する(例えば、非特許文献1〜5参照)。このような複雑疾病の動的メカニズムに関する研究において、疾病悪化(例えば、喘息発作、癌の発病)の進行プロセスを、時間に依存した非線形動力学システムとしてモデル化し、モデル化したシステムを観測することによって、分岐点での相転移で病気が急激に悪化することが既に判明している(非特許文献1、6参照)。
According to various research results, the process of exacerbation of many diseases, especially complex diseases, reaches a so-called turning point when a certain critical threshold is exceeded, similar to systems such as climate systems, ecosystems, and economic systems. Then, a state transition suddenly occurs, and the state changes rapidly from a healthy state to a diseased state (see, for example, Non-Patent
図1は、疾病の進行プロセスを概念的に示す説明図である。図1のaは、疾病の進行プロセスを模式的に示している。図1のb、c及びdは、進行プロセスの過程において、前述のモデル化したシステムの安定性をポテンシャル関数として示し、横軸に経過を示す時刻をとり、縦軸にポテンシャル関数の値をとって概念的に示したグラフである。図1のaに示すように、疾病悪化の進行プロセスは、正常状態(健康状態)、疾病前状態、疾病状態として表すことができる。正常状態において、システムは安定して、図1のbに黒丸の位置として示すように、ポテンシャル関数の値が最小値になっている。疾病前状態において、システムは、図1のcに黒丸の位置として示すように、ポテンシャル関数の値が高くなっている。したがって、外乱の影響を受けやすい状態であり、小さな外乱を受けるだけで相転移してしまう分岐点の付近、即ち、正常状態の限界に位置している。但し、当該疾病前状態は、適切な処置によって、容易に正常状態に回復することができる。一方、疾病状態において、システムは安定して、図1のdに黒丸の位置として示すように、ポテンシャル関数の値が大局的最小値になっている。そのため、正常状態から相転移で生じたこの疾病状態が、正常状態へ回復することは困難である。(図中では便宜上、回復不能と表記) FIG. 1 is an explanatory diagram conceptually showing the disease progression process. FIG. 1a schematically shows the disease progression process. In FIGS. 1, b, c, and d, the stability of the modeled system described above is shown as a potential function in the process of the progress process, the time indicating the progress is taken on the horizontal axis, and the value of the potential function is taken on the vertical axis. It is a graph conceptually shown. As shown in FIG. 1a, the process of disease exacerbation can be represented as a normal state (health state), a pre-disease state, and a disease state. Under normal conditions, the system is stable and the value of the potential function is at its minimum, as shown by the black circles in FIG. 1b. In the pre-disease state, the system has high potential function values, as shown by the black circles in c in FIG. Therefore, it is in a state of being easily affected by a disturbance, and is located near a branch point where a phase transition occurs only by receiving a small disturbance, that is, at the limit of a normal state. However, the pre-disease state can be easily restored to the normal state by appropriate treatment. On the other hand, in the diseased state, the system is stable and the value of the potential function is the global minimum value as shown by the position of the black circle in d in FIG. Therefore, it is difficult to recover from this disease state caused by phase transition from the normal state to the normal state. (In the figure, it is described as unrecoverable for convenience)
したがって、もし疾病前状態を検知して、疾病状態に遷移する前に、疾病状態に遷移しつつあることを患者に予告することができれば、適切な措置を取ることによって、患者を疾病前状態から正常状態へ回復させることができる可能性が高い。 Therefore, if the pre-disease state can be detected and the patient can be informed that the pre-disease state is transitioning before the transition to the disease state, appropriate measures can be taken to bring the patient out of the pre-disease state. There is a high possibility that it can be restored to the normal state.
即ち、分岐点(臨界閾値)を検出することができれば、臨界遷移の予測が可能であり、病気の早期診断を実現することができる。 That is, if the branch point (critical threshold value) can be detected, the critical transition can be predicted and early diagnosis of the disease can be realized.
なお、従来から疾病状態を診断する方法として、バイオマーカーが用いられている。従来から用いられている通常のバイオマーカーは、生体から採取された血清、尿等の体液、更には、組織に含まれる分子レベルのDNA、RNA、蛋白質、代謝物等であり、生体内の生物学的変化を定量的に把握することができる指標である。従来のバイオマーカーによる疾病の診断方法は、ノーマルサンプル(健康状態で採取したサンプル)から抽出したバイオマーカーと異常サンプル(疾病状態で採取したサンプル)から抽出したバイオマーカーとを比較することにより、病気を診断する方法である。 In addition, a biomarker has been conventionally used as a method for diagnosing a disease state. Conventionally used ordinary biomarkers are body fluids such as serum and urine collected from living organisms, and molecular-level DNA, RNA, proteins, metabolites and the like contained in tissues, which are living organisms in living organisms. It is an index that can quantitatively grasp the scientific changes. The conventional method for diagnosing a disease using a biomarker is to compare a biomarker extracted from a normal sample (a sample collected in a healthy state) with a biomarker extracted from an abnormal sample (a sample collected in a diseased state). Is a method of diagnosing.
しかしながら、複雑疾病の場合、臨界遷移の予測は極めて困難である。その理由は以下の通りである。 However, in the case of complex diseases, it is extremely difficult to predict the critical transition. The reason is as follows.
第一に、疾病前状態は、正常状態の境界であり、分岐点に達する前に、著しい変化が生じ難い。そのため、従来のバイオマーカー、スナップショット測定等の手法による診断では、正常状態と疾病前状態とを区別することが難しい。 First, the pre-disease state is the boundary of the normal state and is unlikely to undergo significant changes before reaching a turning point. Therefore, it is difficult to distinguish between the normal state and the pre-disease state by diagnosis by a conventional method such as biomarker or snapshot measurement.
第二に、様々な研究がなされている中で、分岐点を予測するための早期診断用の警告信号を精度高く検出することができる信頼性の高い疾病モデルがまだ開発されていない。特に、同じ疾病でも、個人によって、疾病悪化の進行プロセスが異なるため、モデルベースの診断方法は、成功する確率が低い。 Second, while various studies have been conducted, a reliable disease model capable of accurately detecting a warning signal for early diagnosis for predicting a turning point has not yet been developed. In particular, model-based diagnostic methods have a low probability of success because the process of progression of disease exacerbation varies from individual to individual, even for the same disease.
第三に、疾病前状態の検出対象は患者であり、通常、一人の患者から得られるサンプルの数が限られているため、長期間にわたって、予測に必要な十分なサンプルを採取することが困難である。 Third, the pre-disease condition is detected in patients, and the number of samples that can be obtained from a single patient is usually limited, making it difficult to obtain sufficient samples for prediction over a long period of time. Is.
しかも、従来のバイオマーカーによる疾病の診断方法は、正常状態と疾病状態とを比較することによって診断を行う方法であり、診断された時点では、患者はすでに疾病状態に陥り、以前の正常状態に戻ることは難しい。 Moreover, the conventional method of diagnosing a disease using a biomarker is a method of making a diagnosis by comparing a normal state with a disease state, and at the time of diagnosis, the patient has already fallen into a disease state and has returned to the previous normal state. It's hard to go back.
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、正常状態から疾病状態へ遷移する過程である疾病前状態を検出することが可能な検出装置の提供を目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a detection device capable of detecting a pre-disease state, which is a process of transition from a normal state to a disease state.
また、本発明は、前記検出装置を実現するための検出プログラムの提供を更に他の目的とする。 Another object of the present invention is to provide a detection program for realizing the detection device.
上記課題を解決するために、本願記載の検出装置は、測定対象である生体が正常状態から疾病状態へ遷移する過程である疾病前状態を検出する検出装置であって、前記生体から、異なる時間点で採取した複数の因子項目の測定データを記憶する記憶手段と、前記因子項目の測定データの中から、差次的因子項目を検出するスクリーニング手段と、前記スクリーニング手段で検出した前記差次的因子項目の測定データを複数のクラスターに分類する分類手段と、前記分類手段で得られた複数のクラスターの中から、クラスター内の因子項目の測定データの間の相関が有意に増大し、かつ当該クラスター内の因子項目の測定データの標準偏差が有意に増大し、かつ当該クラスター内の因子項目の測定データと他のクラスター内の因子項目の測定データとの間の相関が有意に低減するクラスターを選出する選出手段と、前記選出手段が前記クラスターを選出した場合には、文字、図形又は画像によって前記生体が前記疾病前状態であるとの表示を行う表示手段とを備えたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the detection device described in the present application is a detection device that detects a pre-disease state, which is a process in which a living body to be measured changes from a normal state to a disease state, and has a different time from the living body. A storage means for storing measurement data of a plurality of factor items collected at points, a screening means for detecting a differential factor item from the measurement data of the factor items, and the differential detection means detected by the screening means. From the classification means for classifying the measurement data of the factor item into a plurality of clusters and the plurality of clusters obtained by the classification means, the correlation between the measurement data of the factor item in the cluster is significantly increased, and the relevant A cluster in which the standard deviation of the factor item measurement data in the cluster is significantly increased and the correlation between the factor item measurement data in the cluster and the factor item measurement data in other clusters is significantly reduced. It is characterized by comprising a selection means for selection and a display means for displaying that the living body is in the pre-disease state by characters, figures or images when the selection means selects the cluster. ..
また、前記検出装置において、前記選出手段は、前記因子項目の測定データと予め設定されている参照データとの比較結果に基づいて有意性を検定することを特徴とする。 Further, in the detection device, the selection means is characterized in that the significance is tested based on the comparison result between the measurement data of the factor item and the preset reference data.
また、前記検出装置において、前記選出手段は、下記の式1にて計算される指数Iが、所定の閾値を超えるクラスターを選出することを特徴とする。
I=SDd×PCCd/OPCCd ・・・式1
但し、
PCCd :当該クラスター内の因子項目の測定データ相互のピアソン相関係数の絶対値の平均値
OPCCd:当該クラスター内の因子項目の測定データと他のクラスター内の因子項目の測定データ相互のピアソン相関係数の絶対値の平均値
SDd :当該クラスター内の因子項目の測定データの標準偏差の平均値
Further, in the detection device, the selection means is characterized in that a cluster in which the index I calculated by the following
I = SDd × PCCd / OPCCd ・ ・ ・ Equation 1
However,
PCCd: Average value of absolute values of Pearson correlation coefficients between the measurement data of factor items in the cluster OPCCd: Pearson phase relationship between the measurement data of the factor items in the cluster and the measurement data of the factor items in other clusters. Average value of absolute numbers SDd: Average value of standard deviation of measurement data of factor items in the cluster
また、前記検出装置において、前記因子項目は、遺伝子に関する測定項目、タンパク質に関する測定項目、代謝物に関する測定項目、並びに生体から得られる画像、声及び音に関する測定項目のうちのいずれかであることを特徴とする。 Further, in the detection device, the factor item is any one of a measurement item related to genes, a measurement item related to proteins, a measurement item related to metabolites, and a measurement item related to images, voices and sounds obtained from a living body. It is a feature.
更に、本願記載の検出プログラムは、測定対象である生体から、異なる時間点で採取した複数の因子項目の測定データを処理するコンピュータに、前記生体が正常状態から疾病状態へ遷移する過程である疾病前状態を検出させる検出プログラムであって、コンピュータに、前記生体から、異なる時間点で採取した複数の因子項目の測定データの中から、差次的因子項目を検出するスクリーニングステップと、前記スクリーニングステップで検出した前記差次的因子項目の測定データを複数のクラスターに分類する分類ステップと、前記分類ステップで得られた複数のクラスターの中から、クラスター内の因子項目の測定データの間の相関が有意に増大し、かつ当該クラスター内の因子項目の測定データの標準偏差が有意に増大し、かつ当該クラスター内の因子項目の測定データと他のクラスター内の因子項目の測定データとの間の相関が有意に低減するクラスターを選出する選出ステップと、前記選出ステップが前記クラスターを選出した場合には、文字、図形又は画像によって前記生体が前記疾病前状態であるとの表示をさせる表示ステップとを実行させることを特徴とする。 Further, the detection program described in the present application is a disease in which the living body is in the process of transitioning from a normal state to a diseased state by a computer that processes measurement data of a plurality of factor items collected at different time points from the living body to be measured. A detection program that detects a pre-state, a screening step in which a computer detects a differential factor item from measurement data of a plurality of factor items collected from the living body at different time points, and the screening step. The correlation between the classification step of classifying the measurement data of the differential factor item detected in the above into a plurality of clusters and the measurement data of the factor item in the cluster from the plurality of clusters obtained in the classification step is Significantly increased, and the standard deviation of the measured data of the factor items in the cluster is significantly increased, and the correlation between the measured data of the factor items in the cluster and the measured data of the factor items in other clusters. A selection step for selecting a cluster in which the amount of data is significantly reduced, and a display step for displaying that the living body is in the pre-disease state by characters, figures, or images when the selection step selects the cluster. It is characterized by being executed.
上記特徴を有する検出装置等は、測定対象である生体が正常状態から疾病状態へ遷移する過程である疾病前状態を検出することが可能である。 A detection device or the like having the above characteristics can detect a pre-disease state, which is a process in which a living body to be measured changes from a normal state to a disease state.
本発明に係る検出装置及び検出プログラムは、生体から採取した測定データに基づいて、生体が正常状態から疾病状態へ遷移する過程である疾病前状態を検出する。これにより、本発明は、疾病状態に遷移する前に様々な対応を行うことが可能である等、優れた効果を奏する。 Detection instrumentation置及beauty detection program according to the present invention, based on the measurement data collected from a living body, the living body to detect a disease state before a process of transition from the normal state to the disease state. As a result, the present invention exerts excellent effects such as being able to take various measures before transitioning to a diseased state.
本発明の発明者らは、1つのサンプルから数千個の情報、即ち高次元データを得ることが可能なゲノムハイスループットテクノロジーを利用して、分岐プロセス理論に基づいて、複雑疾病の時間発展の数理モデルを構築し、分子ネットワークレベルにおける疾病悪化の進行メカニズムの研究を行った。その結果、疾病前状態において、臨界遷移発生前の直前分岐(突然悪化)状態を検出することができる動的ネットワークバイオマーカー(DNB:Dynamical Network Biomarker )の存在を解明した。当該動的ネットワークバイオマーカーを疾病前状態の警告信号として利用すれば、疾病モデルが不要で、数少ないサンプルだけで複雑疾病の早期診断を実現することができる。以下に、動的ネットワークバイオマーカーに基づく本願実施形態について説明する。 The inventors of the present invention utilize genomic high-throughput technology capable of obtaining thousands of pieces of information, that is, high-dimensional data, from one sample, and based on the branching process theory, the time development of complex diseases. We constructed a mathematical model and studied the mechanism of disease progression at the molecular network level. As a result, we elucidated the existence of a dynamic network biomarker (DNB) that can detect the immediately preceding branching (sudden deterioration) state before the occurrence of critical transition in the pre-disease state. If the dynamic network biomarker is used as a warning signal for a pre-disease state, a disease model is not required, and early diagnosis of complex diseases can be realized with only a few samples. Hereinafter, embodiments of the present application based on the dynamic network biomarker will be described.
<理論根拠>
先ず、本願実施形態の基となる理論根拠について説明する。通常、疾病の進行プロセスに係るシステム(以下、システム(1)という)を次の式(1)で表すことができる。
<Theoretical basis>
First, the rationale that is the basis of the embodiment of the present application will be described. Usually, the system related to the disease progression process (hereinafter referred to as system (1)) can be expressed by the following equation (1).
Z(k+1)=f(Z(k);P) …式(1) Z (k + 1) = f (Z (k); P) ... Equation (1)
ここで、Z(k)=(z1(k)、... 、zn(k))は、時刻k(k=0、1、... )で観測されたシステム(1)の動的状態を表す変数であり、遺伝子発現量、タンパク質発現量、代謝物発現量等の情報とすることができる。詳細には、遺伝子、タンパク質等の分子に係る濃度、個数等の情報である。Pは、システム(1)の状態遷移を駆動する緩やかに変化するパラメータであり、例えば、SBP,CNV等の遺伝的要因、メチル化、アセチル化等の非遺伝的要因等の情報とすることができる。f=(f1、... 、fn)はZ(k)の非線形関数である。 Here, Z (k) = (z1 (k), ..., Zn (k)) is the dynamic state of the system (1) observed at time k (k = 0, 1, ...). It is a variable representing the above, and can be used as information such as gene expression level, protein expression level, and metabolite expression level. In detail, it is information such as the concentration and the number of molecules related to genes, proteins and the like. P is a slowly changing parameter that drives the state transition of the system (1), and can be used as information on genetic factors such as SBP and CNV, and non-genetic factors such as methylation and acetylation. can. f = (f1, ..., fn) is a non-linear function of Z (k).
正常状態、疾病状態はそれぞれ、状態方程式Z(k+1)=f(Z(k);P)のアトラクタで表すことができる。複雑疾病の進行プロセスは、非常に複雑な動的特性を有するため、関数fは、数千個の変数を有する非線形関数である。しかも、システム(1)を駆動する要素Pは特定しにくいものである。そのため、正常状態及び疾病状態のシステムモデルを構築し解析することは大変困難である。 The normal state and the disease state can be represented by the attractors of the equation of state Z (k + 1) = f (Z (k); P), respectively. The function f is a non-linear function with thousands of variables, as the process of progression of complex diseases has very complex dynamic properties. Moreover, the element P that drives the system (1) is difficult to identify. Therefore, it is very difficult to construct and analyze a system model of normal state and disease state.
それに対して、本発明の発明者らが着目したのは、正常状態から疾病状態へ遷移する直前のシステムの臨界遷移状態、即ち疾病前状態である。一般的に、システム(1)には、次の特性を有する平衡点が存在する。 On the other hand, the inventors of the present invention focused on the critical transition state of the system immediately before the transition from the normal state to the disease state, that is, the pre-disease state. Generally, the system (1) has an equilibrium point having the following characteristics.
1. Z* は、システム(1)の固定点とすれば、Z* =f(Z* ;P)、
2. Pcをシステムが分岐する閾値とすれば、P=Pcの時、ヤコビ行列∂f(Z;Pc)/∂Z|Z=Z*の1つの実数固有値又は1対の複素共役の固有値の絶対値が1になる、
3. P≠Pcの時、一般的に、システム(1)の固有値の絶対値が1ではない。
1. 1. If Z * is a fixed point of the system (1), then Z * = f (Z * ; P),
2. If Pc is the threshold value at which the system branches, then when P = Pc, the absolute value of one real eigenvalue of the Jacobian matrix ∂f (Z; Pc) / ∂Z | Z = Z * or the eigenvalue of a pair of complex conjugates. Becomes 1,
3. 3. When P ≠ Pc, the absolute value of the eigenvalues of the system (1) is generally not 1.
発明者らは、上記特性から、システム(1)が臨界遷移状態になると、次のような特異な特性が現れることを理論的に解明した。即ち、システム(1)が臨界遷移状態になると、システム(1)の各変数z1,... ,znのそれぞれをノードとして構成したネットワーク(1)において、一部のノードからなる支配グループ(サブネットワーク)が現れる。臨界遷移状態に現れる支配グループは、理想的には、次のような得意な特性を有する。 From the above characteristics, the inventors have theoretically clarified that the following peculiar characteristics appear when the system (1) is in the critical transition state. That is, when the system (1) is in the critical transition state, the control group (sub) consisting of some nodes in the network (1) in which each of the variables z1, ..., Zn of the system (1) is configured as a node. Network) appears. Ideally, the dominant group that appears in the critical transition state has the following strong characteristics.
(I) ziとzjは支配グループに属するノードである場合、
PCC(zi ,zj)→±1;
SD(zi)→∞;
SD(zj)→∞.
(II) ziは支配グループに属するノードであるが、zjは支配グループに属するノードではない場合、
PCC(zi ,zj)→0;
SD(zi)→∞;
SD(zj)→境界値.
(III) ziとzjは支配グループに属するノードではない場合
PCC(zi ,zj)→α、α∈(-1,1)\{0};
SD(zi)→境界値;
SD(zj)→境界値.
(I) When zi and zj are nodes belonging to the controlling group,
PCC (zi, zj) → ± 1;
SD (zi) → ∞;
SD (zj) → ∞.
(II) When zi is a node belonging to the controlling group, but zj is not a node belonging to the controlling group.
PCC (zi, zj) → 0;
SD (zi) → ∞;
SD (zj) → Boundary value.
(III) When zi and zj are not nodes belonging to the controlling group PCC (zi, zj) → α, α ∈ (-1,1) \ {0};
SD (zi) → Boundary value;
SD (zj) → Boundary value.
ここで、PCC(zi ,zj)はziとzjとの間のピアソン相関係数であり、SD(zi)、SD(zj)はziとzjとの標準偏差である。 Here, PCC (zi, zj) is the Pearson correlation coefficient between zi and zj, and SD (zi) and SD (zj) are the standard deviations between zi and zj.
即ち、ネットワーク(1)において、上記特異な特性(I)〜(III)を有する支配グループの出現は、システム(1)が臨界遷移状態(疾病前状態)に遷移していることの兆候として捉えることができる。したがって、当該支配グループを検出することにより、システム(1)の臨界遷移を検出することができる。即ち、当該支配グループを臨界遷移、即ち、疾病悪化直前の疾病前状態を示す警告信号とすることができる。そうすれば、システム(1)がいくら複雑であっても、駆動要素が不明であっても、警告信号となる支配グループだけを検出すれば、システム(1)の数理モデルを直接扱うことなく、疾病前状態であることを特定することができる。疾病前状態であることを特定することにより、疾病に対する事前対策及び早期治療を実現することが可能となる。 That is, in the network (1), the appearance of the dominant group having the above-mentioned peculiar characteristics (I) to (III) is regarded as a sign that the system (1) is transitioning to the critical transition state (pre-disease state). be able to. Therefore, by detecting the control group, the critical transition of the system (1) can be detected. That is, the control group can be a critical transition, that is, a warning signal indicating a pre-disease state immediately before the exacerbation of the disease. Then, no matter how complicated the system (1) is, even if the driving element is unknown, if only the control group that becomes the warning signal is detected, the mathematical model of the system (1) is not directly handled. It is possible to identify the pre-illness state. By identifying the pre-illness state, it becomes possible to realize proactive measures and early treatment for the disease.
本願記載の実施形態において、疾病前状態を示す警告信号となる当該支配グループを動的ネットワークバイオマーカー(以下、DNBと略称する)と称する。 In the embodiments described in the present application, the control group that serves as a warning signal indicating a pre-disease state is referred to as a dynamic network biomarker (hereinafter, abbreviated as DNB).
<DNBの特性及び判定条件>
上述したように、DNBは、特異な特性(I)〜(III)を有する支配グループであって、複数のノードからなるサブネットワークとして、システム(1)が疾病前状態になるときに、ネットワーク(1)に現れるものである。ネットワーク(1)において、各ノード(z1,... ,zn)を、遺伝子、タンパク質、代謝物等の生体分子について測定の対象となる因子項目とすれば、DNBは、上記特異な特性(I)〜(III)を満たした一部の生体分子に係る因子項目からなるグループ(サブネットワーク)である。
<DNB characteristics and judgment conditions>
As described above, the DNB is a dominant group having unique characteristics (I) to (III), and is a subnetwork consisting of a plurality of nodes when the system (1) is in a pre-disease state. It appears in 1). In the network (1), if each node (z1, ..., Zn) is a factor item to be measured for a biomolecule such as a gene, a protein, or a metabolite, DNB has the above-mentioned peculiar characteristic (I). )-(III) is a group (sub-network) consisting of factor items related to some biomolecules.
更に、上記特異な特性(I)〜(III)に基づいて、DNBを判定する条件を以下の通り定めることができる。 Furthermore, the conditions for determining DNB can be determined as follows based on the above-mentioned peculiar characteristics (I) to (III).
・条件(I):ネットワーク(1)に存在する一部の生体分子(遺伝子、タンパク質又は代謝物)からなるグループであって、当該グループ内の生体分子の間のピアソン相関係数PCCの絶対値の平均値が著しく増大する。
・条件(II):当該グループ内の生体分子と他の生体分子との間のピアソン相関係数OPCCの絶対値の平均値が著しく低減する。
・条件(III):当該グループ内の生体分子の標準偏差SDの平均値が著しく増加する。
-Condition (I): A group consisting of some biomolecules (genes, proteins or metabolites) existing in the network (1), and the absolute value of the Pearson correlation coefficient PCC between the biomolecules in the group. The average value of is significantly increased.
-Condition (II): The average value of the absolute values of the Pearson correlation coefficient OPCC between biomolecules in the group and other biomolecules is significantly reduced.
-Condition (III): The average value of the standard deviation SD of biomolecules in the group is significantly increased.
上記条件(I)〜(III)を同時に満たした生体分子からなるグループをDNBと認定する。 A group consisting of biomolecules that simultaneously satisfy the above conditions (I) to (III) is recognized as DNB.
DNBの特性を直観的に説明するために、次に、6つのノードを有するネットワークを例として、当該ネットワークにおけるDNBの動的特性を説明する。図2は、本願記載の検出方法に係るDNBの動的特性を例示する模式図である。図2のaは、疾病の進行プロセスとして、正常状態、疾病前状態及び疾病状態を示している。図2のb、c及びdは、進行プロセスの過程につき、正常状態、疾病前状態及び疾病状態において、モデル化したシステム(1)の安定性を、ポテンシャル関数として示し、横軸に経過を示す時刻をとり、縦軸にポテンシャル関数の値をとって概念的に示したグラフである。また、図2のe、f及びgは、正常状態、疾病前状態及び疾病状態のそれぞれに対応したシステム(1)のネットワーク状態の一例を概念的に示している。更に、図2のhは、疾病前状態におけるDNBの因子項目となる分子濃度の時間変化の一例を示している。 In order to intuitively explain the characteristics of DNB, next, the dynamic characteristics of DNB in the network will be described by taking a network having six nodes as an example. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the dynamic characteristics of the DNB according to the detection method described in the present application. FIG. 2a shows a normal state, a pre-disease state, and a disease state as a disease progression process. B, c and d of FIG. 2 show the stability of the modeled system (1) in the normal state, the pre-disease state and the disease state as a potential function for the process of the progress process, and the progress is shown on the horizontal axis. It is a graph conceptually shown by taking time and taking the value of the potential function on the vertical axis. Further, e, f and g in FIG. 2 conceptually show an example of the network state of the system (1) corresponding to each of the normal state, the pre-disease state and the disease state. Furthermore, h in FIG. 2 shows an example of time-dependent changes in molecular concentration, which is a factor item of DNB in the pre-disease state.
ノードz1〜z6は、遺伝子、タンパク質、代謝物等の異なる種類の生体分子に係る因子項目を表すものであり、ノードz1〜z6の間の接続ラインは、ノード間の相関を示し、ラインの太さは、ピアソン相関係数PCCの大きさを示し、z1〜z6を囲む丸印の描画方法は、各ノードの標準偏差SDの大きさを示している。接続ラインの描画方法として、丸印内が空白の場合に標準偏差SDは最も小さく、一方向の斜線、二方向の斜線となるにつれて標準偏差SDが大きいことを示している。 Nodes z1 to z6 represent factor items related to different types of biomolecules such as genes, proteins, and metabolites, and the connection line between nodes z1 to z6 shows the correlation between the nodes, and the thickness of the line is large. Indicates the magnitude of the Pearson correlation coefficient PCC, and the drawing method of the circles surrounding z1 to z6 indicates the magnitude of the standard deviation SD of each node. As a method of drawing the connection line, it is shown that the standard deviation SD is the smallest when the inside of the circle is blank, and the standard deviation SD becomes larger as the diagonal line is in one direction and the diagonal line is in two directions.
正常状態において、図2のeに示すように、各ノードは、相互の相関及びそれぞれの標準偏差がいずれも均等で、中レベルになっている。しかしながら、疾病前状態になると、他のノードに比べて、著しい特異な特性を示すグループ(z1〜z3)が現れる。当該グループ内のノードz1〜z3は、図2のfに示すように、相互間のピアソン相関係数が著しく増大し、他のノードz4〜z6との間のピアソン相関係数が著しく低下している。また、当該グループ内のノードz1〜z3の標準偏差は大きくなっている。その理由は、当該グループ内のノードz1〜z3は、図2のhに示すように、異なる時刻(t=1、t=2、t=3)における濃度の変化が激しいからである。 In the normal state, as shown in E of FIG. 2, each node has an equal correlation and a standard deviation of each node, and is at a medium level. However, in the pre-disease state, groups (z1 to z3) appear that exhibit significantly unique characteristics as compared to other nodes. As shown in FIG. 2f, the nodes z1 to z3 in the group have a significantly increased Pearson correlation coefficient with each other, and the Pearson correlation coefficient with other nodes z4 to z6 has decreased significantly. There is. Further, the standard deviation of the nodes z1 to z3 in the group is large. The reason is that the concentrations of the nodes z1 to z3 in the group change drastically at different times (t = 1, t = 2, t = 3) as shown in h in FIG.
しかしながら、疾病状態へ遷移した後は、図2のgに示すように、当該グループ内の各ノードz1〜z3の標準偏差はすこし大きくなっているが、各ノード間のピアソン相関係数は均等に中レベルに戻っている。即ち、当該グループ(z1〜z3)の上記の特異な特性が消失している。 However, after the transition to the disease state, as shown in g of FIG. 2, the standard deviation of each node z1 to z3 in the group is slightly larger, but the Pearson correlation coefficient between each node is even. It is back to the middle level. That is, the above-mentioned peculiar characteristics of the group (z1 to z3) have disappeared.
図2に概念的に示すように、疾病前状態において、得意な特性を有する一部のノードを含む支配グループが出現する。本願において、DMBと称するこのような支配グループは、疾病前状態にあることを示し、疾病状態への遷移を予告することができる警告信号として、疾病の早期診断のためのバイオマーカーとして使用することができる。また、DNBは、通常の疾病診断に使われている静的バイオマーカーと異なり、特性が変化しているネットワークにおいて現れるサブネットワークである。そこで、本願においては、当該支配グループをDNB(動的ネットワークバイオマーカー)と呼ぶこととした。 As conceptually shown in FIG. 2, in the pre-disease state, a dominant group appears that includes some nodes with good characteristics. In the present application, such a controlling group called DMB shall be used as a biomarker for early diagnosis of a disease as a warning signal capable of indicating that the patient is in a pre-disease state and foretelling a transition to the disease state. Can be done. DNB is also a subnetwork that appears in networks with changing properties, unlike static biomarkers used in normal disease diagnosis. Therefore, in the present application, the controlling group is referred to as DNB (Dynamic Network Biomarker).
<警告信号>
上述したように、DNBは、疾病前状態を示す警告信号として、疾病の早期診断に使用することができる。当該警告信号の強度を測るものとして、上述したDNB内のノード間のピアソン相関係数PCCの絶対値の平均値、DNB内のノードと他のノードとの間のピアソン相関係数OPCCの絶対値の平均値、及びDNBの標準偏差SDを用いることができる。更に、DNBの特性を総合的に反映することができる総合指数Iを導入することができる。本願実施形態において、一例として、次の式(2)で表す総合指数Iを導入する。
<Warning signal>
As mentioned above, DNB can be used for early diagnosis of disease as a warning signal indicating a pre-disease condition. As a measure of the strength of the warning signal, the average value of the absolute values of the Pearson correlation coefficient PCC between the nodes in the DNB and the absolute value of the Pearson correlation coefficient OPCC between the node in the DNB and other nodes are measured. The mean value of, and the standard deviation SD of DNB can be used. Furthermore, a comprehensive index I that can comprehensively reflect the characteristics of DNB can be introduced. In the embodiment of the present application, as an example, the comprehensive index I represented by the following equation (2) is introduced.
I=SDd×PCCd/OPCCd …式(2) I = SDd × PCCd / OPCCd ... Equation (2)
式(2)において、PCCdはDNB内のノード間のピアソン相関係数の絶対値の平均値を示し、OPCCdはDNB内のノードと他のノードとのピアソン相関係数の絶対値の平均値を示し、SDdはDNB内のノードの標準偏差の平均値を示す。当該式(2)から分かるように、SDd及びPCCdが増大し、かつ、OPCCdが減少すると、当該総合指数Iは大幅に増大する。そのため、DNBの特性を高い感度で検出することができる。更に、当該総合指数Iの値から、疾病状態との距離をある程度把握することができる。 In equation (2), PCCd indicates the average value of the absolute values of the Pearson correlation coefficients between the nodes in the DNB, and OPCCd indicates the average value of the absolute values of the Pearson correlation coefficients between the nodes in the DNB and other nodes. Shown, SDd indicates the average value of the standard deviations of the nodes in the DNB. As can be seen from the equation (2), when SDd and PCCd increase and OPCCd decreases, the total index I increases significantly. Therefore, the characteristics of DNB can be detected with high sensitivity. Furthermore, the distance from the disease state can be grasped to some extent from the value of the comprehensive index I.
<DNBの検出方法>
図3は、実施形態におけるDNBの検出方法の一例を示すフローチャートである。本願記載の検出方法においては、先ず、生体に関する測定により測定データを得ることが必要である。DNAチップなどのハイスループット技術を利用すれば、1つの生体サンプルから2万個以上の遺伝子を測定することができる。統計的に分析するために、本願実施形態において、測定対象から複数(6個以上)の生体サンプルを異なる時間点で採取し、採取した生体サンプルを測定して得られた測定データを集計して統計データを取得する。本願実施形態におけるDNBの検出方法は、主に、図3に示すように、ハイスループットデータの取得処理(s1)と、差次的生体分子の選出処理(s2)と、クラスター化処理(s3)と、DNBの候補の選出処理(s4)と、有意性分析によるDNBの判定処理(s5)とを含む。次に、これらの各処理について詳細に説明する。
<DNB detection method>
FIG. 3 is a flowchart showing an example of a DNB detection method according to the embodiment. In the detection method described in the present application, it is first necessary to obtain measurement data by measurement on a living body. By using a high-throughput technology such as a DNA chip, it is possible to measure more than 20,000 genes from one biological sample. In order to statistically analyze, in the embodiment of the present application, a plurality of (6 or more) biological samples are collected from the measurement target at different time points, and the measurement data obtained by measuring the collected biological samples are aggregated. Get statistical data. As shown in FIG. 3, the methods for detecting DNB in the embodiment of the present application are mainly high-throughput data acquisition processing (s1), differential biomolecule selection processing (s2), and clustering processing (s3). And the DNB candidate selection process (s4) and the DNB determination process (s5) by significance analysis. Next, each of these processes will be described in detail.
ステップs1のハイスループットデータの取得処理は、検出対象となるサンプルをケースサンプルとし、参照用サンプルをコントロールサンプルとし、各サンプルから、それぞれのハイスループット生理学的データ、即ち、生体分子の発現量の測定データ(例えば、マイクロアレイデータ)を取得する処理である。参照用サンプルとは、検査の対象となる患者から事前に採取したサンプル、採取時に最初に採取したサンプル等のサンプルであり、測定装置の校正等の目的を有するコントロールサンプルとして用いられる。コントロールサンプルは、必ずしも必要ではないが、誤差要因を排除し、測定の信頼性を向上させるために有用である。 In the high-throughput data acquisition process of step s1, the sample to be detected is used as a case sample, the reference sample is used as a control sample, and each high-throughput physiological data, that is, the expression level of the biomolecule is measured from each sample. This is a process for acquiring data (for example, microarray data). The reference sample is a sample collected in advance from the patient to be inspected, a sample collected first at the time of collection, or the like, and is used as a control sample having a purpose such as calibration of a measuring device. Control samples are not always necessary, but are useful for eliminating error factors and improving measurement reliability.
ステップs2の差次的生体分子の選出処理は、発現量に著しい変化を示した生体分子を選択する処理である。図4は、実施形態における差次的生体分子の選出処理の一例を示すフローチャートである。図4は、図3に示したステップs2の差次的生体分子の生体処理を詳細に示したものである。 The process of selecting the differential biomolecule in step s2 is a process of selecting a biomolecule showing a significant change in the expression level. FIG. 4 is a flowchart showing an example of the selection process of the differential biomolecule in the embodiment. FIG. 4 shows in detail the biological treatment of the differential biomolecule in step s2 shown in FIG.
図4に示すように、先ず、n個のケースサンプルからそれぞれ測定したハイスループットデータ(生体分子の発現量)に基づく統計データをD1cとし、コントロールサンプルから測定したデータをDrとする(s21)。次に、各ケースサンプル生体分子D1cに対して、スチューデントのt検定を行い、コントロールサンプルのハイスループットデータDrに比べて発現量に著しい変化を示した生体分子D2cを選出する(s22)。ステップs22では、発現量に著しい変化を示した生体分子D2cを選出する方法として、スチューデントのt検定を例示しているが、特に手法を限定するものではない。例えば、マン・ホイットニーのU検定等の他の検定方法を適用することも可能であり、このようなノンパラメトリック手法による検定は、母集団となるD1cが正規分布に従わない場合に、特に有効である。また、スチューデントのt検定をする場合においても、有意水準αの値は、0.05、0.01等の値を適宜設定することができる。 As shown in FIG. 4, first, the statistical data based on the high-throughput data (expression level of biomolecules) measured from each of the n case samples is designated as D1c, and the data measured from the control sample is designated as Dr (s21). Next, Student's t-test is performed on each case sample biomolecule D1c, and the biomolecule D2c showing a significant change in the expression level as compared with the high-throughput data Dr of the control sample is selected (s22). In step s22, Student's t-test is exemplified as a method for selecting the biomolecule D2c showing a remarkable change in the expression level, but the method is not particularly limited. For example, it is possible to apply other test methods such as the Mann-Whitney U test, and such a nonparametric test is particularly effective when the population D1c does not follow a normal distribution. be. Further, even in the case of Student's t-test, the value of the significance level α can be appropriately set to a value such as 0.05 or 0.01.
次に、誤発現率FDRを用いて、各ケースサンプル生体分子D2cに対して、複数の比較(multiple comparisons)又は複数のスチューデントのt検定を補正し、補正後の各ケースサンプル遺伝子又はタンパクデータD3cを選出する(s23)。次に、2倍変更方法(The two-fold change method)を用いて、補正後の各ケースサンプル遺伝子又はタンパクデータD3cから標準偏差SDが比較的著しく変化するDcを差次的生体分子として選出する。ここで選出された差次的生体分子Dcは、コントロールサンプルの生体分子Drに比べて、著しい差異を示すだけではなく、自分の平均値からも大きく逸脱している。ステップs23においても、検定方法はスチューデントのt検定に限るものではない。 Next, the misexpression rate FDR is used to correct multiple comparisons or t-tests of multiple students for each case sample biomolecule D2c, and each corrected case sample gene or protein data D3c. Is elected (s23). Next, using the two-fold change method, Dc in which the standard deviation SD changes relatively significantly from each corrected case sample gene or protein data D3c is selected as a differential biomolecule. .. The differential biomolecule Dc selected here not only shows a remarkable difference as compared with the biomolecule Dr of the control sample, but also deviates greatly from its own average value. Also in step s23, the test method is not limited to Student's t-test.
次に、クラスター化処理(図3のs3)を行う。ここでいうクラスター化処理とは、複数の生体分子を、互いに相関の高いグループにそれぞれ分類する処理であり、生体分子が分類されたそれぞれのグループをクラスターと称する。即ち、互いに相関の高い生体分子を1つのクラスターにするように、図4に示すステップs24で選択した差次的生体分子Dcを、n個のクラスターに分類する。得られた全てのクラスターは、潜在的な支配グループ、即ち、検出すべきDNBの候補となる。 Next, a clustering process (s3 in FIG. 3) is performed. The clustering process referred to here is a process of classifying a plurality of biomolecules into groups having a high correlation with each other, and each group in which the biomolecules are classified is referred to as a cluster. That is, the differential biomolecules Dc selected in step s24 shown in FIG. 4 are classified into n clusters so that the biomolecules having a high correlation with each other are formed into one cluster. All resulting clusters are potential control groups, ie, candidates for DNB to be detected.
次に、図3に示すDNBの候補の選出処理(s4)を行う。図5は、実施形態におけるDNBの候補の選出処理の一例を示すフローチャートである。図5は、図3に示したステップs4のDNBの候補の選出処理を詳細に示したものである。即ち、DNBの候補の選出処理は、図5に示すDNBの候補の選出処理のフローチャートに基づいて処理を行う。図5に示す循環ループで、すべてのクラスター(k)(k=1,... ,n)について、クラスター内のノードの間のピアソン相関係数の絶対値の平均値PCCd(k)、クラスター内のノードと他のノードとの間のピアソン相関係数の絶対値の平均値OPCCd(k)、クラスター内のノードの標準偏差の平均値SDd(k)、及び総合指数I(k)を計算する(s41〜s46)。そして、すべてのクラスターから、総合指数Iの値が一番大きいクラスターをDNBの候補として選出する(s47)。 Next, the selection process (s4) of the DNB candidates shown in FIG. 3 is performed. FIG. 5 is a flowchart showing an example of the selection process of DNB candidates in the embodiment. FIG. 5 shows in detail the selection process of the DNB candidate in step s4 shown in FIG. That is, the DNB candidate selection process is performed based on the flowchart of the DNB candidate selection process shown in FIG. In the circular loop shown in FIG. 5, for all clusters (k) (k = 1, ..., n), the average value of the absolute values of the Pearson correlation coefficients between the nodes in the cluster, PCCd (k), and the cluster. Calculate the mean OPCCd (k) of the absolute values of the Pearson correlation coefficients between the nodes in the cluster, the mean SDd (k) of the standard deviations of the nodes in the cluster, and the overall index I (k). (S41 to s46). Then, from all the clusters, the cluster having the largest total index I value is selected as a candidate for DNB (s47).
次に、図3に示す有意性分析によるDNBの判定処理(図3のs5)を行う。図6は、実施形態におけるDNBの判定処理の一例を示すフローチャートである。図6は、図3に示したステップs5の優位性分析によるDNBの判定処理を詳細に示したものである。即ち、上述したDNBの判定条件(I)〜(III)に基づいて、ステップs47でDNBの候補として選出されたクラスター(m)はDNBであるか否かを判定する。様々な有意性分析によって判定することができるが、一例として、図6に示すDNBの判定処理のフローチャートに基づいて処理を行う。 Next, the DNB determination process (s5 in FIG. 3) is performed by the significance analysis shown in FIG. FIG. 6 is a flowchart showing an example of the DNB determination process in the embodiment. FIG. 6 shows in detail the DNB determination process by the superiority analysis of step s5 shown in FIG. That is, based on the above-mentioned DNB determination conditions (I) to (III), it is determined whether or not the cluster (m) selected as a DNB candidate in step s47 is a DNB. It can be determined by various significance analyzes, but as an example, the process is performed based on the flowchart of the DNB determination process shown in FIG.
図6に示すように、先ず、コントロールサンプルから取得したデータの各ノード間のピアソン相関係数の絶対値の平均値PCCdr、及び各ノードの標準偏差の平均値SDdrをそれぞれ計算する(s51、s52)。そして、コントロールサンプルのピアソン相関係数の平均値PCCdrに比べて、ステップs47で選出したクラスター(m)内の各ノード間のピアソン相関係数の絶対値の平均値PCCd(m)が有意に増大したか否かを判断する(s53)。有意に増大していないと判断した場合(NO)、DNBが存在しないとの結果を出力し、処理を終了する(s57)。他方、有意に増大したと判断した場合(YES)、次のステップs54に進む。ステップs54において、コントロールサンプルのピアソン相関係数の平均値PCCdrに比べて、クラスター(m)内の各ノードと他のノードとのピアソン相関係数の平均値OPCCd(m)が有意に低減したか否かを判断する(s54)。有意に低減していないと判断した場合(NO)、DNBが存在しないとの結果を出力し(s57)、処理を終了する。他方、有意に低減したと判断した場合(YES)、次のステップs55に進む。ステップs55において、コントロールサンプルの標準偏差平均値SDrに比べて、クラスター(m)内のノードの標準偏差平均値SDd(m)が有意に増大したか否かを判断する。有意に増大していないと判断した場合(NO)、DNBが存在しないと判断して(s57)、処理を終了させる。他方、有意に増大したと判断した場合、クラスター(m)をDNBと認定して(s56)、処理を終了させる。 As shown in FIG. 6, first, the average value PCCdr of the absolute value of the Pearson correlation coefficient between each node and the average value SDdr of the standard deviation of each node of the data acquired from the control sample are calculated (s51, s52, respectively). ). Then, the average value PCCd (m) of the absolute value of the Pearson correlation coefficient between each node in the cluster (m) selected in step s47 is significantly increased as compared with the average value PCCdr of the Pearson correlation coefficient of the control sample. It is determined whether or not it has been done (s53). When it is determined that the increase is not significant (NO), the result that DNB does not exist is output, and the process is terminated (s57). On the other hand, if it is determined that the increase is significantly (YES), the process proceeds to the next step s54. In step s54, was the average value OPCCd (m) of the Pearson correlation coefficient between each node in the cluster (m) and other nodes significantly reduced as compared with the average value PCCdr of the Pearson correlation coefficient of the control sample? It is determined whether or not (s54). If it is determined that the reduction is not significant (NO), the result that DNB does not exist is output (s57), and the process is terminated. On the other hand, if it is determined that the reduction is significantly reduced (YES), the process proceeds to the next step s55. In step s55, it is determined whether or not the standard deviation average value SDd (m) of the nodes in the cluster (m) is significantly increased as compared with the standard deviation average value SDr of the control sample. If it is determined that there is no significant increase (NO), it is determined that DNB does not exist (s57), and the process is terminated. On the other hand, if it is determined that the cluster (m) has increased significantly, the cluster (m) is recognized as DNB (s56), and the process is terminated.
<DNBによる疾病の早期診断方法>
診断スケジュールとしては、一定な間隔を開けて、複数回診断を行い、毎回の診断で数個のサンプルを取ることが望ましい。図7は、実施形態におけるDNBを用いた疾病の早期診断の診断スケジュールの一例を示す図である。図7に示すように、複数の段階(段階1、段階2、…、段階T)で、サンプルを採取する。各段階で採取するサンプルの数は、データの精度を確保するために、通常、1つの段階において、6個以上のサンプルを採取することが望ましい。2つの連続した段階の間の間隔は、疾病の状況によって、数日、数週間、数カ月、又は数年と長く設定することができるが、各段階では、短い期間において異なる時間点でサンプルを採取することが望ましい。例えば、6個のサンプルを1日のうちの6つの時間点で採取する。各時間点の間の間隔は、状況に応じて、例えば、数分間、数時間とすることができる。
<Early diagnosis method of diseases by DNB>
As a diagnosis schedule, it is desirable to perform multiple diagnoses at regular intervals and take several samples for each diagnosis. FIG. 7 is a diagram showing an example of a diagnosis schedule for early diagnosis of a disease using DNB in the embodiment. As shown in FIG. 7, samples are collected in a plurality of stages (
図8は、実施形態におけるDNBによる疾病の早期診断方法の一例を示すフローチャートである。図8に示すように、DNBによる疾病の早期診断方法は、主に、サンプル採取処理(s100)と、差次的生体分子の選出(s200)と、DNBの候補の選出処理(s300)と、有意性分析によるDNBの判定処理(s400)と、診断結果の出力処理(s500)とを含む。次に、これらの処理内容について詳細に説明する。 FIG. 8 is a flowchart showing an example of an early diagnosis method of a disease by DNB in the embodiment. As shown in FIG. 8, the methods for early diagnosis of diseases by DNB mainly include sampling processing (s100), selection of differential biomolecules (s200), selection processing of DNB candidates (s300), and processing. It includes a DNB determination process (s400) by significance analysis and a diagnosis result output process (s500). Next, these processing contents will be described in detail.
サンプル採取処理(s100):一般の疾病診断方法と同じように、診断する疾病に応じて、必要な生理データを取るためのサンプルを採取する。例えば、肝臓障害の場合、血液、肝臓の組織などのサンプルを採取する。 Sample collection process (s100): Similar to a general disease diagnosis method, a sample for collecting necessary physiological data is collected according to the disease to be diagnosed. For example, in the case of liver damage, samples such as blood and liver tissue are taken.
また、診断する際に診断対象から採取したサンプルをケースサンプルとする他に、参照用のサンプルとして、診断対象以外の健康な人から採取したサンプル、又は診断対象から最初に採取したサンプルをコントロールサンプルとすることができる。 In addition to using the sample collected from the diagnosis target as a case sample when diagnosing, as a reference sample, a sample collected from a healthy person other than the diagnosis target or a sample collected first from the diagnosis target is used as a control sample. Can be.
差次的生体分子の選出(s200):図4に示した差次的生体分子の選出処理フローチャートにしたがって、上記ステップs100で採取したサンプルから、差次的生体分子を選出する。 Selection of differential biomolecule (s200): The differential biomolecule is selected from the sample collected in step s100 according to the flow chart for selecting the differential biomolecule shown in FIG.
DNBの候補の選出処理(s300):図5に示したDNBの候補の選出フローチャートにしたがって、上記ステップs200で選出した差次的生体分子から、DNBの候補となる支配グループを選出する。 DNB candidate selection process (s300): According to the DNB candidate selection flowchart shown in FIG. 5, a dominant group that is a DNB candidate is selected from the differential biomolecules selected in step s200.
有意性分析によるDNBの判定処理(s400):図6に示した有意性分析によるDNBの判定方法を示すフローチャートにしたがって、上記ステップs300で選出したDNBの候補がDNBであるか否かを判定する。 DNB determination process by significance analysis (s400): It is determined whether or not the DNB candidate selected in step s300 is DNB according to the flowchart showing the method of determining DNB by significance analysis shown in FIG. ..
診断結果の出力(s500):上記ステップs400において、DNBが存在しないと判断した場合、上記ステップs300で選出したDNBの候補のデータを次回の診断の参照データとして記憶装置に保存し、異常が認めない旨の診断結果を出力する。一方、上記ステップs400において、DNBと認定されたクラスターが存在すると判断した場合、認定されたクラスターの生体分子データをDNBのメンバーとして記憶し、疾病前状態にある旨の診断結果を出力する。また、検出したDNBに関連づけた診断結果を出力することもできる。なお、ここでは、診断結果として示しているが、詳細には、例えば、医師による診断の参考となる結果であり、ステップs500にて出力される診断結果は、医師による診断そのものではなく、医師の診断の補助となり、診断を支援すべく診断の参考となる出力データである。 Diagnosis result output (s500): When it is determined that the DNB does not exist in the step s400, the data of the DNB candidate selected in the step s300 is saved in the storage device as the reference data for the next diagnosis, and an abnormality is recognized. Output the diagnosis result that there is no such thing. On the other hand, when it is determined in step s400 that there is a cluster certified as DNB, the biomolecular data of the certified cluster is stored as a member of DNB, and the diagnosis result indicating that the patient is in a pre-disease state is output. It is also possible to output the diagnosis result associated with the detected DNB. Although it is shown here as a diagnosis result, in detail, for example, it is a result that can be used as a reference for a diagnosis by a doctor, and the diagnosis result output in step s500 is not the diagnosis itself by the doctor but the diagnosis by the doctor. This is output data that assists in diagnosis and serves as a reference for diagnosis in order to support diagnosis.
例えば、DNBの特性を総合的に反映する総合指数Iを出力することができる。当該総合指数Iが大きければ大きいほど、分岐点に近いので、総合指数Iに比例した疾病リスクを直観的に見ることができる図形又は画像の形で出力すると、ワーンニング効果が高くなる。 For example, it is possible to output a comprehensive index I that comprehensively reflects the characteristics of DNB. The larger the total index I is, the closer it is to the branch point. Therefore, if the disease risk proportional to the total index I is output in the form of an intuitively visible figure or image, the warning effect becomes higher.
図9及び図10は、総合指数Iに比例した疾病リスクを表示する図形の一例である。図9において、矢印全体は疾病前状態(発病前期)を示し、矢印により示される方向の流れが疾病状態(発病)の経時変化を指しており、矢印内の左側に位置するひし形マークは診断で得られた総合指数Iの値に応じて位置が変化する発病リスクポインターである。総合指数Iの値が大きければ大きいほどひし形マークが矢印の右側に近づくように設定する。 9 and 10 are examples of figures displaying the disease risk proportional to the comprehensive index I. In FIG. 9, the entire arrow indicates the pre-disease state (early onset), the flow in the direction indicated by the arrow indicates the time course of the disease state (onset), and the diamond mark located on the left side of the arrow is for diagnosis. It is a disease risk pointer whose position changes according to the value of the obtained comprehensive index I. The larger the value of the total index I, the closer the diamond mark is to the right side of the arrow.
また、以前にもDNBを用いて疾病の早期診断を受けたことがある場合、前回診断で得られた総合指数と一緒に、図10のように、総合指数Iに比例した疾病リスクを表示することができる。図10において、点線のひし形マークが2011年7月1日の診断で得られた総合指数を示し、実線のひし形マークが2011年9月1日の診断で得られた総合指数を示している。ひし形マークの位置変動から、疾病状態に近づいていくことを直観的に判断することができる。 In addition, if an early diagnosis of a disease has been made using DNB before, the disease risk proportional to the comprehensive index I is displayed together with the comprehensive index obtained in the previous diagnosis, as shown in FIG. be able to. In FIG. 10, the dotted diamond mark shows the comprehensive index obtained by the diagnosis on July 1, 2011, and the solid diamond mark shows the comprehensive index obtained by the diagnosis on September 1, 2011. From the position change of the diamond mark, it is possible to intuitively judge that the disease state is approaching.
また、DNBに関連づけた情報として、検出したDNBを含んだ全ネットワーク、又は当該DNBを含んだ一部のネットワークのマップ(例えば、後述の図15)を出力することができる。 Further, as the information associated with the DNB, a map of the entire network including the detected DNB or a part of the network including the DNB (for example, FIG. 15 described later) can be output.
更に、DNBのメンバーである生体分子のリストを出力することもできる。上述したように、DNBは、正常状態から疾病状態へ遷移する疾病前状態に現れるものであるが、DNBとして検出された生体分子、即ち遺伝子、タンパク質又は代謝物自身が、必ずしも疾病を悪化させる要因となる病的遺伝子、タンパク質又は代謝物とは限らない。但し、DNBメンバーの一部が疾病と関連していることが判明している。 Furthermore, it is also possible to output a list of biomolecules that are members of DNB. As described above, DNB appears in the pre-disease state that transitions from the normal state to the disease state, but the biomolecule detected as DNB, that is, the gene, protein or metabolite itself is not necessarily a factor that exacerbates the disease. It is not necessarily a pathogenic gene, protein or metabolite. However, some DNB members have been found to be associated with the disease.
そのため、検出したDNBのメンバーに含まれた、特定の疾病と関連性のあるもの(遺伝子、タンパク質又は代謝物)を抽出すると、例えば、医師の診断により、検診者等の診断対象が発症する可能性のある疾病をある程度把握することができる。 Therefore, if a substance (gene, protein or metabolite) related to a specific disease contained in the detected DNB members is extracted, for example, a diagnosis target such as a examiner may develop by a doctor's diagnosis. Be able to grasp sexual diseases to some extent.
したがって、上述した「診断結果の出力」(図8のs500)に続いて、遺伝子、タンパク質又は代謝物と疾病との対応関係を記憶したデータベースを利用して、検出したDNBから疾病と関連性のある遺伝子、タンパク質又は代謝物を抽出して、診断の参考となる診断結果として出力することができる。 Therefore, following the above-mentioned "output of diagnosis result" (s500 in FIG. 8), using a database that stores the correspondence between the gene, protein or metabolite and the disease, the detected DNB is associated with the disease. A certain gene, protein or metabolite can be extracted and output as a diagnostic result that can be used as a reference for diagnosis.
そうすれば、健康診断を受ける人から例えば血液を採取して、その血液から得た遺伝子、タンパク質又は代謝物のデータからDNBを検出した場合、当該DNBに含まれている遺伝子、タンパク質又は代謝物と関連性がある疾病をある程度特定することができ、検診者が持つ潜在的疾病を早期段階で診断することができる。 Then, for example, when blood is collected from a person undergoing a medical examination and DNB is detected from the data of genes, proteins or metabolites obtained from the blood, the genes, proteins or metabolites contained in the DNB are detected. Diseases related to can be identified to some extent, and potential diseases possessed by the examiner can be diagnosed at an early stage.
<検出装置>
以上詳述したDNBの検出方法は、コンピュータを用いた検出装置として具現化することができる。図11は、本願記載の検出装置の構成例を示すブロック図である。図11に示す検出装置1は、パーソナルコンピュータ、サーバコンピュータに接続されるクライアントコンピュータ、その他各種コンピュータを用いて実現される。検出装置1は、制御部10、記録部11、記憶部12、入力部13、出力部14、取得部15等の各種機構を備えている。
<Detector>
The DNB detection method described in detail above can be embodied as a detection device using a computer. FIG. 11 is a block diagram showing a configuration example of the detection device described in the present application. The
制御部10は、CPU(Central Processing Unit )等の回路を用いて構成され、検出装置1全体を制御する機構である。
The control unit 10 is a mechanism that is configured by using a circuit such as a CPU (Central Processing Unit) and controls the
記録部11は、HDD(Hard Disk Drive)等の磁気記録機構、SSD(Solid State Disk)等の不揮発性半導体記録機構等の不揮発性の補助記録機構である。記録部11には、本願記載の検出プログラム11a等の各種プログラム及びデータが記録されている。 The recording unit 11 is a non-volatile auxiliary recording mechanism such as a magnetic recording mechanism such as an HDD (Hard Disk Drive) and a non-volatile semiconductor recording mechanism such as an SSD (Solid State Disk). Various programs and data such as the detection program 11a described in the present application are recorded in the recording unit 11.
記憶部12は、SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)、SRAM(Static Random Access Memory)等の揮発性の主記憶機構である。 The storage unit 12 is a volatile main storage mechanism such as SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) and SDRAM (Static Random Access Memory).
入力部13は、キーボード、マウス等のハードウェア、及びドライバ等のソフトウェアを備える入力機構である。 The input unit 13 is an input mechanism including hardware such as a keyboard and a mouse, and software such as a driver.
出力部14は、モニタ、プリンタ等のハードウェア、及びドライバ等のソフトウェアを備える出力機構である。 The output unit 14 is an output mechanism including hardware such as a monitor and a printer, and software such as a driver.
取得部15は、外部から各種データを取得する機構である。具体的には、通信網を介してデータを取り込むLAN(Local Area Network)ポート、測定機器に接続可能なパラレルケーブル等の専用線に接続するポート等の各種ハードウェア、及びドライバ等のソフトウェアである。 The acquisition unit 15 is a mechanism for acquiring various data from the outside. Specifically, it is various hardware such as a LAN (Local Area Network) port that takes in data via a communication network, a port that connects to a dedicated line such as a parallel cable that can be connected to a measuring device, and software such as a driver. ..
そして、記録部11に記録されている検出プログラム11aを、記憶部12に記憶し、制御部10の制御に基づき実行することにより、コンピュータは、検出プログラム11aに係る各種手順を実行し、本願記載の検出装置1として機能する。なお、便宜上、記録部11及び記憶部12として分けているが、両者とも各種情報の記録という同様の機能を有するものであり、装置の仕様、運用形態等に応じていずれの機構に記録させるかは、適宜決定することが可能である。
Then, by storing the detection program 11a recorded in the recording unit 11 in the storage unit 12 and executing the detection program 11a under the control of the control unit 10, the computer executes various procedures related to the detection program 11a, which is described in the present application. Functions as the
図13は、本願記載の検出装置1によるDNBの検出処理の一例を示すフローチャートである。本願記載の検出装置1の処理は、前述のDNBの検出処理を実行するものである。検出装置1の制御部10は、取得部15により、生体に関する測定により得られた複数の因子項目についての測定データを取得する(Sc1)。ステップSc1は、図3のステップs1として示したハイスループットデータの取得処理に対応する。なお、ここではコンピュータ処理の対象として表現するため、因子項目として表現しているが、ここでいう因子項目とは、前述のDNBのノードとなり得る遺伝子に関する測定項目、タンパク質に関する測定項目、代謝物に関する測定項目等の測定項目を示している。なお、CTスキャン等の測定装置にて出力される体内画像から得られる画像に関する測定項目を用いることも可能である。
FIG. 13 is a flowchart showing an example of DNB detection processing by the
制御部10は、取得した因子項目のそれぞれの測定データが、有意性をもって経時的に変化しているか否かを検定し、検定した結果に基づいて差次的生体分子を選出する(Sc2)。ステップSc2は、図3のステップs2として示した差次的生体分子の選出処理に対応する。 The control unit 10 tests whether or not each measurement data of the acquired factor items changes significantly over time, and selects a differential biomolecule based on the test result (Sc2). Step Sc2 corresponds to the process of selecting the differential biomolecule shown as step s2 in FIG.
したがって、ステップSc2の処理は、制御部10が、各因子項目の測定データ、並びに因子項目及び時系列毎に予め設定されている参照データとの比較結果に基づいて、有意性に関する検定を行い(Sc21)、経時変化に有意性があると検定された因子項目を選出する処理(Sc22)を含む。即ち、図4に示した各種処理を実行する。なお、検出装置1が参照データとして処理するデータとは、コントロールサンプルであり、例えば、最初に取得したサンプルをコントロールサンプルとする等の設定に基づき、検出装置1は、当該サンプルに対して参照データとしての取り扱いを行う。
Therefore, in the process of step Sc2, the control unit 10 tests the significance based on the measurement data of each factor item and the comparison result with the factor item and the reference data preset for each time series ( Sc21), including a process (Sc22) of selecting factor items that have been tested as having significant changes over time. That is, various processes shown in FIG. 4 are executed. The data processed by the
制御部10は、選出した各因子項目のそれぞれの測定データの時系列変化の相関関係に基づいて複数の因子項目を複数のクラスターに分類する(Sc3)。ステップSc3は、図3のステップs3として示したクラスター化処理に対応する。 The control unit 10 classifies a plurality of factor items into a plurality of clusters based on the correlation of time-series changes in the measurement data of each selected factor item (Sc3). Step Sc3 corresponds to the clustering process shown as step s3 in FIG.
制御部10は、分類した各クラスターから、各因子項目のそれぞれの測定データの時系列変化及び各因子項目間の測定データの時系列変化の相関関係に基づいて予め設定された選出条件に該当するクラスターを選出する(Sc4)。ステップSc4は、図3のステップs4として示したDNBの候補の選出処理に対応する。 The control unit 10 corresponds to the selection conditions set in advance from each of the classified clusters based on the correlation of the time-series change of the measurement data of each factor item and the time-series change of the measurement data between each factor item. Select a cluster (Sc4). Step Sc4 corresponds to the DNB candidate selection process shown as step s4 in FIG.
したがって、ステップSc4の処理は、制御部10が、それぞれのクラスターに対し、クラスター内の各因子項目の測定データの相関を示す値の平均値を第1指数として算出し(Sc41)、クラスター内の因子項目の測定データと当該クラスター外の因子項目の測定データとの間の相関を示す値の平均値を第2指数として算出し(Sc42)、クラスター内の各因子項目について測定データの標準偏差の平均値を第3指数として算出する処理(Sc43)を含む。更に、ステップSc4の処理は、制御部10が、第1指数と、第2指数と、第3指数の逆数との積に基づく総合指数を算出し(Sc44)、算出した総合指数が最大であるクラスターを選出する処理(Sc45)を含む。即ち、図5に示した各種処理を実行する。なお、第1指数、第2指数、第3指数及び総合指数としては、例えば、クラスター内のノードの間のピアソン相関係数の絶対値の平均値PCCd(k)、クラスター内のノードと他のノードとの間のピアソン相関係数の絶対値の平均値OPPCd(k)、クラスター内のノードの標準偏差の平均値SDd(k)、及び総合指数I(k)がそれぞれ用いられる。 Therefore, in the process of step Sc4, the control unit 10 calculates, for each cluster, the average value of the values indicating the correlation of the measurement data of each factor item in the cluster as the first index (Sc41), and in the cluster. The average value of the values indicating the correlation between the measurement data of the factor item and the measurement data of the factor item outside the cluster is calculated as the second index (Sc42), and the standard deviation of the measurement data for each factor item in the cluster is calculated. The process (Sc43) of calculating the average value as the third index is included. Further, in the process of step Sc4, the control unit 10 calculates a total index based on the product of the first index, the second index, and the reciprocal of the third index (Sc44), and the calculated total index is the maximum. The process of selecting a cluster (Sc45) is included. That is, various processes shown in FIG. 5 are executed. The first index, the second index, the third index, and the total index include, for example, the average value of the absolute values of the Pearson correlation coefficients between the nodes in the cluster, PCCd (k), the nodes in the cluster, and other indexes. The mean OPPCd (k) of the absolute values of the Pearson correlation coefficients with the nodes, the mean SDd (k) of the standard deviations of the nodes in the cluster, and the overall index I (k) are used, respectively.
制御部10は、選出したクラスターに含まれる因子項目をバイオマーカーの候補として検出する(Sc5)。ステップSc5は、図3のステップs5として示したDNBの判定処理に対応する。 The control unit 10 detects factor items included in the selected cluster as biomarker candidates (Sc5). Step Sc5 corresponds to the DNB determination process shown as step s5 in FIG.
したがって、ステップSc5の処理は、制御部10が、各因子項目について、対応する参照データの標準偏差の平均値を示す参照標準偏差を算出し(Sc51)、因子項目間の相関を示す値の平均値を示す参照相関値を算出する(Sc52)。そして、第1指数が参照標準偏差に比べて有意性をもって増大し、第2指数が前記参照相関値に比べて有意性をもって減少し、かつ、第3指数が参照標準偏差に比べて有意性をもって増大した場合に、当該クラスターに含まれる項目をバイオマーカーとして検出する処理(Sc53)を含む。即ち、図6に示した各種処理を実行する。なお、参照標準偏差及び参照相関値としては、例えば、各ノード間のピアソン相関係数の絶対値の平均値PCCdr及び各ノードの標準偏差の平均値SDdrがそれぞれ用いられる。 Therefore, in the process of step Sc5, the control unit 10 calculates the reference standard deviation indicating the average value of the standard deviations of the corresponding reference data for each factor item (Sc51), and averages the values indicating the correlation between the factor items. A reference correlation value indicating the value is calculated (Sc52). Then, the first index increases with significance compared to the reference standard deviation, the second index decreases with significance compared to the reference correlation value, and the third index has significance with respect to the reference standard deviation. It includes a process (Sc53) of detecting an item contained in the cluster as a biomarker when it is increased. That is, various processes shown in FIG. 6 are executed. As the reference standard deviation and the reference correlation value, for example, the average value PCCdr of the absolute value of the Pearson correlation coefficient between each node and the average value SDdr of the standard deviation of each node are used.
そして、制御部10は、バイオマーカーの候補として検出した因子項目を出力部14から出力し(Sc6)、処理を終了する。 Then, the control unit 10 outputs the factor item detected as a candidate for the biomarker from the output unit 14 (Sc6), and ends the process.
<第1の検証例>
本願記載のDNBによる疾病の早期診断方法の診断精度を検証するために、肺障害が引き起こされたマウスの実験データを用いて、本願記載の診断方法で診断を行い、その診断結果を実際の病状進行状況と比較して、本願記載の診断方法の有効性を検証した。次に、当該検証例を詳細に説明する。実験データは、複数の実験用CD-1雄マウスをケースグループと、コントロールグループとに分けて、ケースグループを通常の空気環境に、コントロールグループを有毒ガスであるホスゲンが含まれている空気環境に置き、そして、両グループのマウスの健康状態を観察し、ホスゲンの吸入による急性肺損傷の分子レベルのメカニズムを調べるという実験から得られたものである。当該実験データを用いて、本願記載の診断方法を用いて、ホスゲン曝露されているケースグループのマウスの健康状態を診断した。通常、マウスは一定量のホスゲンを吸入すると、ホスゲン誘発性肺障害を発症する。
<First verification example>
In order to verify the diagnostic accuracy of the early diagnosis method of the disease by DNB described in the present application, the diagnosis is performed by the diagnostic method described in the present application using the experimental data of the mouse in which the lung disorder is caused, and the diagnosis result is the actual medical condition. The effectiveness of the diagnostic method described in the present application was verified in comparison with the progress. Next, the verification example will be described in detail. The experimental data shows that multiple experimental CD-1 male mice are divided into a case group and a control group, and the case group is in a normal air environment and the control group is in an air environment containing phosgen, which is a toxic gas. It was obtained from an experiment in which the health status of the mice in both groups was observed and the molecular level mechanism of acute lung injury due to inhalation of phosgen was investigated. Using the experimental data, the health status of mice in the phosgene-exposed case group was diagnosed using the diagnostic method described in the present application. Normally, mice develop phosgene-induced lung injury when they inhale a certain amount of phosgene.
図13は、第1の検証例における診断用のデータを示すテーブルである。図13に示すように、診断対象は、ホスゲン誘発性肺障害にかかったマウス(CD-1雄マウス)であり、サンプル採取対象は、診断対象となるケースグループ及び参照対象となるコントロールグループのマウスの肺組織であり、サンプリングポイントは、実験開始後の0、0.5、1、4、8、12、24、48、72時間が経過した時間点であり、DNBの検出に用いた遺伝子の数は22690個である。 FIG. 13 is a table showing diagnostic data in the first verification example. As shown in FIG. 13, the diagnosis target is a mouse having phosgen-induced lung injury (CD-1 male mouse), and the sample collection target is a mouse in the case group to be diagnosed and the control group to be referred to. The sampling point is the time point at which 0, 0.5, 1, 4, 8, 12, 24, 48, 72 hours have passed since the start of the experiment, and the sampling point of the gene used for DNB detection. The number is 22690.
本願記載の診断方法を用いて、具体的に、次の処理を行った。 Specifically, the following processing was performed using the diagnostic method described in the present application.
先ず、それぞれのサンプルから測定したハイスループット遺伝子データから差次的発現遺伝子を選択する。各々のサンプリングポイントにおいて、6つのケースサンプルと6つコントロールサンプルが提供されている。最初のサンプリングポイント(0h)において、ケースサンプルのデータはコントロールサンプルのデータと同じである。 First, the differentially expressed gene is selected from the high-throughput gene data measured from each sample. Six case samples and six control samples are provided at each sampling point. At the first sampling point (0h), the case sample data is the same as the control sample data.
各々のサンプリングポイントにおいて、有意水準p<0.05のスチューデントのt検定を用いて、それぞれ、A=[0、53、184、1325、1327、738、980、1263、915]の差次的遺伝子を選出した。 At each sampling point, using Student's t-test with significance level p <0.05, the differential gene with A = [0, 53, 184, 1325, 1327, 738, 980, 1263, 915], respectively. Was elected.
そして、選出した差次的遺伝子のセットAに対して、誤発現率(FDR)及び2倍変更スクリーニングを用いることにより、各サンプリングポイントに対して、それぞれ、B=[0、29、72、195、269、163、173、188、176]の遺伝子を選出した。 Then, for each sampling point, B = [0, 29, 72, 195, respectively, by using false expression rate (FDR) and doubling modification screening for the selected differential gene set A. 269, 163, 173, 188, 176] genes were selected.
選出した遺伝子セットBに対して、各サンプリングポイントにおいて、相関の高いものを1つのクラスターにまとめるクラスター化を行い、それぞれ、40個のクラスターを得た。 For the selected gene set B, clustering was performed to combine those with high correlation into one cluster at each sampling point, and 40 clusters were obtained for each.
更に、各サンプリングポイントにおいて、得られた40個のクラスター内の全ての遺伝子に対して、データの正規化を行う。そして、各サンプリングポイントにおいて、正規化されたコントロールグループ及びケースグループにおける各クラスターのそれぞれの標準偏差の平均値SDd(第3指数)、クラスターのメンバー間のピアソンの相関係数の絶対値の平均値PCCd(第2指数)、クラスターのメンバーと他の遺伝子との間のピアソン相関係数の絶対値の平均値OPCCd(第1指数)、及び総合指数Iを計算する。 In addition, at each sampling point, data normalization is performed for all genes in the obtained 40 clusters. Then, at each sampling point, the average value SDd (third index) of the standard deviation of each cluster in the normalized control group and the case group, and the average value of the absolute values of Pearson's correlation coefficients among the members of the cluster. The PCCd (second index), the average OPCCd (first index) of the absolute values of the Pearson correlation coefficients between the members of the cluster and other genes, and the total index I are calculated.
そして、各サンプリングポイントにおいて、計算したケースグループにおける各クラスターから、総合指数Iが一番大きいクラスターをDNBの候補として選出し、更に、当該DNBの候補に対して、コントロールグループの標準偏差の平均値SDc、遺伝子間のピアソン相関係数の絶対値の平均値PCCcを基準に、有意性分析により、DNBであるか否かを判断する。その結果、各サンプリングポイントにおいて、DNBとなるクラスターの数は、[0、0、0、0、1、0、0、0、0]であった。 Then, at each sampling point, the cluster with the largest comprehensive index I is selected as a DNB candidate from each cluster in the calculated case group, and the average value of the standard deviations of the control group is selected for the DNB candidate. Whether or not it is DNB is determined by significance analysis based on the average value PCCc of the absolute values of SDc and the Pearson correlation coefficient between genes. As a result, the number of clusters that became DNB at each sampling point was [0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0].
即ち、第5のサンプリングポイント(8h)でDNBが検出された、当該DNBは220個の遺伝子を有する第111番目のクラスターである。 That is, DNB was detected at the 5th sampling point (8h), and the DNB is the 111th cluster having 220 genes.
図14Aは、第1の検証例において、検出されたDNBの候補の標準偏差の平均値SDdの時系列変化の例を示すグラフである。図14Bは、第1の検証例において、検出されたDNBの候補のクラスターのメンバー間のピアソン相関係数の絶対値の平均値PCCdの時系列変化の例を示すグラフである。図14Cは、第1の検証例において、検出されたDNBの候補のクラスターのメンバーと他の遺伝子との間のピアソン相関係数の絶対値の平均値OPCCdの時系列変化の例を示すグラフである。図14Dは、第1の検証例において、検出されたDNBの候補の総合指数Iの時系列変化の例を示すグラフである。図14A〜図14Dにおいて、横軸は時間段階tを表し、縦軸は、それぞれ、標準偏差の平均値SDd(図14A)、クラスターのメンバー間のピアソン相関係数の絶対値の平均値PCCd(図14B)、クラスターのメンバーと他の遺伝子との間のピアソン相関係数の絶対値の平均値OPCCd(図14C)、及び総合指数Iを示している(図14D)。破線は、ケースグループから検出したDNBの候補の各種指数の経時変化を示し、実線は、コントロールグループから選んだ1クラスターの各種指数の経時変化を示している。 FIG. 14A is a graph showing an example of time-series changes in the average value SDd of the standard deviations of the detected DNB candidates in the first verification example. FIG. 14B is a graph showing an example of the time-series change of the average value PCCd of the absolute values of the Pearson correlation coefficients among the members of the detected clusters of DNB candidates in the first verification example. FIG. 14C is a graph showing an example of the time-series change of the average value OPCCd of the absolute values of the Pearson correlation coefficients between the members of the detected cluster of DNB candidates and other genes in the first verification example. be. FIG. 14D is a graph showing an example of time-series changes in the comprehensive index I of the detected DNB candidates in the first verification example. In FIGS. 14A-14D, the horizontal axis represents the time stage t, and the vertical axis represents the average value SDd of the standard deviation (FIG. 14A) and the average value of the absolute values of the Pearson correlation coefficients between the members of the cluster PCCd (FIG. 14A). FIG. 14B) shows the mean OPCCd (FIG. 14C) of the absolute values of the Pearson correlation coefficients between the members of the cluster and other genes, and the overall index I (FIG. 14D). The broken line shows the time course of various indices of DNB candidates detected from the case group, and the solid line shows the time course of various indices of one cluster selected from the control group.
図14A〜図14Dから分かるように、第4の時間段階 (即ち、4時間経過)から、DNBの候補の第1指数PCCd、第3指数SDd及び総合指数Iは大きく増加し始め、第5の時間段階 (即ち、8時間経過)でピークに達している。一方、DNBの候補の第3指数OPCCdは第2の時間段階から低減し、同じ第5の時間段階 (即ち、8時間経過)で極小値を示している。 As can be seen from FIGS. 14A to 14D, from the fourth time stage (that is, after 4 hours), the first index PCCd, the third index SDd, and the total index I of the DNB candidates began to increase significantly, and the fifth It peaks at the time stage (ie, 8 hours have passed). On the other hand, the third index OPCCd, which is a candidate for DNB, decreases from the second time stage and shows a minimum value in the same fifth time stage (that is, after 8 hours).
また、DNBの動的特性を直観的に示すために、DNBを含む全遺伝子ネットワークの動的特性を図15に示す。図15は、第1の検証例において、ケースグループの遺伝子によって構成されたネットワークにおけるDNBの動的特性の一例を経時的に示すマップである。図15には、順に0.5、1、4、8、12、24、48、72hの各サンプリングポイントで、ケースグループの遺伝子ネットワーク(3452個の遺伝子、9238個のリンク)が表示されており、「〇」で表示しているノードはDNBの候補に属する遺伝子であり、「□」で表示しているノードはDNBの候補のノード付近の他の遺伝子であり、ノードとノードとの間のラインは両ノードの相関性を示している。また、「〇」の色の濃さが遺伝子の標準偏差SDの大きさを示し、両ノードを接続ラインの濃さが両ノードの相関係数PCCの絶対値の大きさを示している。全てのマップはCytoscape (http://www.cytoscape.org/)を用いて構成されたものである。 In addition, in order to intuitively show the dynamic characteristics of DNB, the dynamic characteristics of the entire gene network including DNB are shown in FIG. FIG. 15 is a map showing an example of the dynamic characteristics of DNB in the network composed of the genes of the case group over time in the first verification example. In FIG. 15, the gene network of the case group (3452 genes, 9238 links) is displayed at each sampling point of 0.5, 1, 4, 8, 12, 24, 48, and 72h in order. , The node indicated by "○" is a gene belonging to the DNB candidate, and the node indicated by "□" is another gene near the node of the DNB candidate, and is between the nodes. The line shows the correlation between the two nodes. Further, the color density of "○" indicates the magnitude of the standard deviation SD of the gene, and the density of the connection line connecting both nodes indicates the magnitude of the absolute value of the correlation coefficient PCC of both nodes. All maps are constructed using Cytoscape (http://www.cytoscape.org/).
図15に示すように、DNBの候補の特性(SD、PCC)が時間の経過とともに変化し、他の遺伝子と同じ振る舞いをする通常のクラスターから、次第にDNBへと進化していく。図15のeに示す第5の段階(8hが経過した時)で、DNBとしての特徴が最も著しく、疾病前状態 (8h)である警告信号をはっきり示している。しかしながら、疾病状態へ遷移した後(24h、48h、72h)、DNBのメンバーは、再び他の遺伝子と同じ振る舞いをするようになっている。 As shown in FIG. 15, the characteristics of DNB candidates (SD, PCC) change with the passage of time, and gradually evolve from a normal cluster that behaves like other genes to DNB. At the fifth stage (when 8h has passed) shown in E of FIG. 15, the characteristic as DNB is the most remarkable, and the warning signal which is the pre-disease state (8h) is clearly shown. However, after transitioning to a diseased state (24h, 48h, 72h), DNB members again behave in the same way as other genes.
当該結果から、疾病前状態は第5の時間段階の近くに存在し、第5の時間段階の後、システムは疾病状態へ遷移するということが判明される。 From the results, it is found that the pre-disease state exists near the fifth time stage, and after the fifth time stage, the system transitions to the disease state.
したがって、本願実施形態のDNBによる疾病の早期診断方法で診断する場合、第4の時間段階での診断で、疾病になる警告信号が少し見えているため、近いうち疾病が悪化するとの診断結果を出すことができる。そして、第5の時間段階での診断では、疾病になる警告信号をはっきり見えているため、間もなく疾病になるとの診断結果を出すことができる。 Therefore, when diagnosing by the early diagnosis method of the disease by DNB of the embodiment of the present application, since a warning signal of becoming a disease is slightly visible in the diagnosis at the fourth time stage, the diagnosis result that the disease will worsen in the near future is obtained. Can be put out. Then, in the diagnosis at the fifth time stage, since the warning signal for getting sick is clearly visible, it is possible to give a diagnosis result that the person will get sick soon.
一方、実際のマウス実験の結果では、ケースグループのマウスは、ホスゲンを吸入してから8時間後に、肺水腫が起こし、12時間後に50%〜60%が死亡し、24時間後に、更に60%〜70% が死亡した。 On the other hand, according to the results of actual mouse experiments, the mice in the case group developed pulmonary edema 8 hours after inhalation of phosgene, 50% to 60% died 12 hours later, and another 60% died 24 hours later. ~ 70% died.
したがって、本願実施形態のDNBによる早期診断の診断結果は、マウスの実際の病気悪化状況と完全に一致しているということができる。 Therefore, it can be said that the diagnosis result of the early diagnosis by DNB of the embodiment of the present application is completely in agreement with the actual disease exacerbation situation of the mouse.
<第2の検証例>
上述した第1の検証例において、動物実験のデータを用いて、本願実施形態のDNBによる疾病の早期診断方法の有効性を検証した。本検証例では、B細胞リンパ腫の臨床データを用いて、更に、本願実施形態のDNBによる疾病の早期診断方法の診断精度を検証する。
<Second verification example>
In the first verification example described above, the effectiveness of the method for early diagnosis of disease by DNB according to the embodiment of the present application was verified using the data of animal experiments. In this verification example, clinical data of B-cell lymphoma is used to further verify the diagnostic accuracy of the method for early diagnosis of disease by DNB according to the embodiment of the present application.
図16は、第2の検証例における診断データをリストしたテーブルである。図16に示すように、臨床像、病変及びフローサイトメトリーに基づいて、サンプルは、安静期(P1)、活性期(P2)、限界期(P3)、転移期(P4)、侵攻期(P5)の5つの段階のグループに分けられている。各段階において、サンプルの数は、それぞれ、5、3、6、5、7である。各段階において、脾腫は、それぞれ、「None」、「None」、「+/−」、「+」、「+++」である。各段階において、フローサイトメトリーは、それぞれ、「正常安静」、「正常活性」、「異常」、「ミックスト」、「B−1クローン」である。また、安静期(P1)で採取したサンプルをコントロールサンプルとし、他の段階(P2〜P5)で採取したサンプルをケースサンプルとする。 FIG. 16 is a table listing the diagnostic data in the second verification example. As shown in FIG. 16, based on clinical features, lesions and flow cytometry, the samples were sampled in resting phase (P1), active phase (P2), marginal phase (P3), metastatic phase (P4), invasion phase (P5). ) Is divided into five stages. At each stage, the number of samples is 5, 3, 6, 5, 7, respectively. At each stage, the splenomegaly is "None", "None", "+/-", "+", "+++", respectively. At each stage, the flow cytometry is "normal rest", "normal activity", "abnormal", "mixed", "B-1 clone", respectively. Further, the sample collected in the resting period (P1) is used as a control sample, and the sample collected in another stage (P2 to P5) is used as a case sample.
上記26個のサンプルから測定した遺伝子発現データから13712個の遺伝子を対象に、上述したDNBによる疾病の早期診断方法で診断を行った。その結果として、図17A〜図17Dに、ケースグループの遺伝子から検出したDNBの候補の各指数を示す。図17Aは、第2の検証例において、検出されたDNBの候補の標準偏差の平均値SDdの時系列変化の例を示すグラフである。図17Bは、第2の検証例において、検出されたDNBの候補のクラスターのメンバー間のピアソン相関係数の絶対値の平均値PCCdの時系列変化の例を示すグラフである。図17Cは、第2の検証例において、検出されたDNBの候補のクラスターのメンバーと他の遺伝子との間のピアソン相関係数の絶対値の平均値OPCCdの時系列変化の例を示すグラフである。図17Dは、第2の検証例において、検出されたDNBの候補の総合指数Iの時系列変化の例を示すグラフである。 From the gene expression data measured from the above 26 samples, 13712 genes were diagnosed by the above-mentioned method for early diagnosis of diseases by DNB. As a result, FIGS. 17A to 17D show each index of DNB candidates detected from the genes of the case group. FIG. 17A is a graph showing an example of time-series changes in the average value SDd of the standard deviations of the detected DNB candidates in the second verification example. FIG. 17B is a graph showing an example of time-series changes in PCCd, which is the average value of the absolute values of the Pearson correlation coefficients among the members of the detected clusters of DNB candidates in the second verification example. FIG. 17C is a graph showing an example of the time-series change of the average value OPCCd of the absolute values of the Pearson correlation coefficients between the members of the detected cluster of DNB candidates and other genes in the second verification example. be. FIG. 17D is a graph showing an example of time-series changes in the comprehensive index I of the detected DNB candidates in the second verification example.
図17A〜図17Dにおいて、横軸は段階(P1〜P4)の番号を示しており、縦軸は、それぞれ、標準偏差の平均値SDd(図17A)、クラスターのメンバー間のピアソン相関係数の絶対値の平均値PCCd(図17B)、クラスターのメンバーと他の遺伝子との間のピアソン相関係数の絶対値の平均値OPCCd(図17C)、及び総合指数Iを示している(図17D)。 In FIGS. 17A to 17D, the horizontal axis indicates the number of the stage (P1 to P4), and the vertical axis represents the average value SDd of the standard deviation (FIG. 17A) and the Pearson correlation coefficient between the members of the cluster, respectively. The mean PCCd of absolute values (FIG. 17B), the mean OPCCd of absolute values of the Pearson correlation coefficient between cluster members and other genes (FIG. 17C), and the overall index I are shown (FIG. 17D). ..
図17A〜図17Dから明らかなように、第2の段階(P2)、即ち活性期において、DNBの候補の総合指数Iがピークに達しており、疾病状態を示す警告信号が最も強くなっている。この診断結果は、実際の病変と完全に一致している。実際の臨床データでも、活性期の直後の限界期から病状が悪化して、脾腫が「+/−」となり、フローサイトメトリーが「異常」になっている。したがって、本検証例におけるDNB特定の解析結果と実際の臨床データと完全に一致している。 As is clear from FIGS. 17A to 17D, in the second stage (P2), that is, in the active phase, the overall index I of the DNB candidates has reached its peak, and the warning signal indicating the disease state is the strongest. .. The results of this diagnosis are in perfect agreement with the actual lesion. Even in the actual clinical data, the condition worsens from the marginal stage immediately after the active stage, the splenomegaly becomes "+/-", and the flow cytometry becomes "abnormal". Therefore, the DNB-specific analysis results in this verification example are in perfect agreement with the actual clinical data.
また、通常の診断では、図16に示すように、活性期における脾腫が「None」、フローサイトメトリーが「正常活性」となっているため、異常が認めないとの診断結果になる。それに対して、本願実施形態のDNBによる疾病の早期診断方法で診断する場合、活性期において、疾病前状態を示す警告信号(DNB)を検出したため、「異常の兆候が見られる」との診断結果を患者に伝えることができる。そのため、患者は早期段階で治療措置を取ることにより、病状の悪化を止める。 Further, in the normal diagnosis, as shown in FIG. 16, since the splenomegaly in the active phase is "None" and the flow cytometry is "normal activity", the diagnosis result is that no abnormality is found. On the other hand, in the case of diagnosing by the early diagnosis method of the disease by DNB of the embodiment of the present application, since the warning signal (DNB) indicating the pre-disease state was detected in the active phase, the diagnosis result that "a sign of abnormality is seen". Can be communicated to the patient. Therefore, patients stop the exacerbation of their condition by taking therapeutic measures at an early stage.
したがって、本願実施形態のDNBによる疾病の早期診断は、リンパ腫のような複雑疾病の早期診断に大変有効であることが検証されている。 Therefore, it has been verified that the early diagnosis of a disease by DNB according to the embodiment of the present application is very effective for the early diagnosis of a complicated disease such as lymphoma.
また、本検証例におけて検出されたDNBの中に、22個の遺伝子とTFsが含まれており、そのうち、13個の遺伝子が明らかにB細胞リンパ腫と関連しており、更に、当該13個の遺伝子のうちの8個が増殖のマスタレギューレターであることが判明されている。したがって、本発明におけるDNBは、疾病前状態を示す警告信号として、早期段階で異常の兆候を患者に伝えることができるだけではなく、疾病と関連している遺伝子も具体的に特定することができるため、複雑疾病の治療、製薬に非常に役に立つと思われる。 In addition, 22 genes and TFs were contained in the DNB detected in this verification example, of which 13 genes were clearly associated with B-cell lymphoma, and further, the 13 genes. Eight of the genes have been found to be growth master regulators. Therefore, the DNB in the present invention can not only convey signs of abnormality to the patient at an early stage as a warning signal indicating a pre-disease state, but can also specifically identify a gene associated with the disease. It seems to be very useful for the treatment of complex diseases and pharmaceuticals.
前記実施形態は、本発明の無数に存在する実施例の一部を開示したに過ぎず、疾病の種類、検出すべき目的等の様々な要因を加味して適宜設計変更することが可能である。特に、因子項目としては、生体に関する測定により得られた情報であれば、様々な測定データを用いることができる。例えば、前述の遺伝子、タンパク質、代謝物に関する測定データに限らず、CTスキャン等の測定装置にて出力される体内画像に基づいて、各部位の様々な状況を数値化することにより、測定データとして用いることが可能である。更には、画像以外にも、声又は体内から発せられる音を測定し、数値化した上で測定データとして用いることも可能である。 The embodiment merely discloses a part of innumerable examples of the present invention, and the design can be appropriately changed in consideration of various factors such as the type of disease and the purpose to be detected. .. In particular, as the factor item, various measurement data can be used as long as the information is obtained by the measurement related to the living body. For example, it is not limited to the measurement data related to the above-mentioned genes, proteins, and metabolites, but can be used as measurement data by quantifying various situations of each site based on an in-vivo image output by a measurement device such as a CT scan. It can be used. Furthermore, in addition to images, it is also possible to measure voice or sound emitted from the body, quantify it, and use it as measurement data.
1 検出装置
10 制御部
11 記録部
12 記憶部
13 入力部
14 出力部
15 取得部
11a 検出プログラム
1 Detection device 10 Control unit 11 Recording unit 12 Storage unit 13 Input unit 14 Output unit 15 Acquisition unit 11a Detection program
Claims (5)
前記生体から、異なる時間点で採取した複数の因子項目の測定データを記憶する記憶手段と、
前記因子項目の測定データの中から、差次的因子項目を検出するスクリーニング手段と、
前記スクリーニング手段で検出した前記差次的因子項目の測定データを複数のクラスターに分類する分類手段と、
前記分類手段で得られた複数のクラスターの中から、クラスター内の因子項目の測定データの間の相関が有意に増大し、かつ当該クラスター内の因子項目の測定データの標準偏差が有意に増大し、かつ当該クラスター内の因子項目の測定データと他のクラスター内の因子項目の測定データとの間の相関が有意に低減するクラスターを選出する選出手段と、
前記選出手段が前記クラスターを選出した場合には、文字、図形又は画像によって前記生体が前記疾病前状態であるとの表示を行う表示手段と
を備えたことを特徴とする検出装置。 It is a detection device that detects the pre-disease state, which is the process of transition from the normal state to the disease state of the living body to be measured.
A storage means for storing measurement data of a plurality of factor items collected from the living body at different time points, and
A screening means for detecting a differential factor item from the measurement data of the factor item, and
A classification means for classifying the measurement data of the differential factor item detected by the screening means into a plurality of clusters, and a classification means.
Among the plurality of clusters obtained by the classification means, the correlation between the measurement data of the factor items in the cluster is significantly increased, and the standard deviation of the measurement data of the factor items in the cluster is significantly increased. In addition, a selection means for selecting a cluster in which the correlation between the measurement data of the factor item in the cluster and the measurement data of the factor item in the other cluster is significantly reduced, and
A detection device including a display means for displaying that the living body is in the pre-disease state by means of characters, figures, or images when the selection means selects the cluster.
ことを特徴とする請求項1に記載の検出装置。 The detection device according to claim 1, wherein the selection means tests significance based on a comparison result between the measurement data of the factor item and the preset reference data.
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の検出装置。
I=SDd×PCCd/OPCCd ・・・式1
但し、
PCCd :当該クラスター内の因子項目の測定データ相互のピアソン相関係数の絶対値の平均値
OPCCd:当該クラスター内の因子項目の測定データと他のクラスター内の因子項目の測定データ相互のピアソン相関係数の絶対値の平均値
SDd :当該クラスター内の因子項目の測定データの標準偏差の平均値 The detection device according to claim 1 or 2, wherein the selection means selects a cluster in which the index I calculated by the following formula 1 exceeds a predetermined threshold value.
I = SDd × PCCd / OPCCd ・ ・ ・ Equation 1
However,
PCCd: Average value of absolute values of Pearson correlation coefficients between the measurement data of factor items in the cluster OPCCd: Pearson phase relationship between the measurement data of the factor items in the cluster and the measurement data of the factor items in other clusters. Average value of absolute numbers SDd: Average value of standard deviation of measurement data of factor items in the cluster
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の検出装置。 The factor items are any one of a measurement item related to genes, a measurement item related to proteins, a measurement item related to metabolites, and a measurement item related to images, voices, and sounds obtained from a living body. The detection device according to any one of claims 3.
コンピュータに、
前記生体から、異なる時間点で採取した複数の因子項目の測定データの中から、差次的因子項目を検出するスクリーニングステップと、
前記スクリーニングステップで検出した前記差次的因子項目の測定データを複数のクラスターに分類する分類ステップと、
前記分類ステップで得られた複数のクラスターの中から、クラスター内の因子項目の測定データの間の相関が有意に増大し、かつ当該クラスター内の因子項目の測定データの標準偏差が有意に増大し、かつ当該クラスター内の因子項目の測定データと他のクラスター内の因子項目の測定データとの間の相関が有意に低減するクラスターを選出する選出ステップと、
前記選出ステップが前記クラスターを選出した場合には、文字、図形又は画像によって前記生体が前記疾病前状態であるとの表示をさせる表示ステップと
を実行させることを特徴とする検出プログラム。 It is a detection program that causes a computer that processes measurement data of multiple factor items collected from the living body to be measured at different time points to detect the pre-disease state, which is the process of transition from the normal state to the disease state of the living body. hand,
On the computer
A screening step for detecting a differential factor item from the measurement data of a plurality of factor items collected from the living body at different time points.
A classification step for classifying the measurement data of the differential factor item detected in the screening step into a plurality of clusters, and a classification step.
Among the plurality of clusters obtained in the classification step, the correlation between the measurement data of the factor items in the cluster is significantly increased, and the standard deviation of the measurement data of the factor items in the cluster is significantly increased. And the selection step to select a cluster whose correlation between the measurement data of the factor item in the cluster and the measurement data of the factor item in the other cluster is significantly reduced.
A detection program characterized in that when the selection step selects the cluster, a display step of displaying that the living body is in the pre-disease state by characters, figures, or images is executed.
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