制定综合解释框架
MOAlmanac是一种临床解释方法，用于评估单个患者的分子特征，以促进精确的肿瘤学(图1)。1A)。对个体基因组事件进行注释和分类，以确定那些与癌症和临床高度相关的事件。首先，根据相关基因在几个数据库中的存在情况，对特征进行排序：MOAlmanac数据库(下文描述)、癌症热点、三维癌症热点、癌症基因普查(CGC)、分子签名数据库(MSigDB)和宇宙数据库(图)。1D, 方法和补充表1)18,19,20,21,22,23。接下来，根据特定更改和每个数据源之间的关联，进一步对它们进行优先排序。例如,GNASP.R201H将高于PRDM 14P.F204V是因为，虽然癌症热点地区存在基因和蛋白质的变化，GNAS是CGC基因PRDM 14不是，也不是在3D癌症热点报道。
每个癌症相关分子特征的临床相关性进一步评估基于一个潜在的定制知识库，其中包含790个与治疗敏感性、耐药性和预后有关的断言，这些断言基于在58个癌症类型上发表的文献和指南。这个资源来源于我们以前的可操作性数据库(与基因组学驱动的治疗相关的肿瘤改变)，该数据库将条目表示为基因和数据类型。2(无花果)1B, 方法，及补充表2)。相比之下，MOAlmanac定义了广泛的分子特征，包括由引用的证据支持的不同类型的改变。例如，MOAlmanac能够记录有关特定单例功能的信息(例如，BRAF更一般的事件类(例如，存在一个ALK而不考虑融合伙伴)。分子特征与治疗反应之间的关系被注释为靶向疗法(472项主张)、免疫疗法(50项)、化学疗法(43项)、放射疗法(15项)、激素治疗(9项)和联合疗法(17项)(图17)。1C和方法)。匹配分类特征的个体基因组事件被标记为基础事件的特异性和匹配的完整性(扩展数据图)。1和方法)。例如，与完全定义的功能完全匹配，例如BCR–ABL 1，标记为“虚拟可操作”；特征类型中的部分匹配被标记为“调查可操作性”，例如自动取款机与目录匹配的错误变体自动取款机无意义的变异；在不同的数据类型下，该基因出现在数据库中的事件被强调为“生物相关性”，但与临床断言无关，例如，CDKN2A体变体匹配CDKN2A复制编号删除。这些断言是根据现有框架从许多证据来源派生出来的。3,4,5,24，包括FDA批准(FDA批准)、临床指南(指南)、前瞻性临床试验(临床试验)的结果、临床试验以外的人类研究结果(临床证据)、癌细胞系或动物模型的发现(临床前)、或从数学模型或分子特征之间的关联得出的推论(推论)(图)。1C和方法).
MOAlmanac还描述了个体特征与彼此的相互配合和二级基因组事件.对于每个MOAlmanac基因，所有特征类型的事件一起报告，以阐明来自不同类型的基因组事件的贡献。如果在同一基因中出现了截短的或致病性的或可能致病的(根据ClinVar)种系变异，或者如果提供了足够的验证测序能力，那么特定基因中的体细胞变体将增加优先顺序。24,25。计算了宇宙突变特征贡献和TMB，并着重介绍了与微卫星不稳定性有关的变体。肿瘤本体用OncoTree映射。肿瘤纯度、倍性、全基因组加倍和微卫星稳定状态也可用于报告和评估.所有指定的临床协会都在一份基于web的可操作性报告(方法).
回顾性队列的扩展临床可操作性
我们首先评估了moalmanac相对于我们先前建立的wes一级解释框架(用目标解释变更景观(Phial)的精确启发法)，该框架考虑了体细胞变体和拷贝数的改变。2。收集了110例转移性黑色素瘤患者的wes和rna序列分析数据(rna-seq)。n=44与RNA)26150例转移性去势耐药前列腺癌(MCRPC)，n=149与RNA)27，100例原发性肾乳头状肾癌(Kirp，n=100与RNA)2859例儿童骨肉瘤(OS)，n=34与RNA)29。这些队列和肿瘤类型被选择来代表广泛的可操作性景观。所有配置文件都被分析为体细胞变体、生殖系变异，以及wes数据的拷贝数改变，以及rna-seq数据中的体细胞变体和融合(方法).
我们比较了两种方法在只考虑躯体变异和拷贝数改变的情况下，观察到与治疗敏感性、耐药性或预后相关的临床事件的频率(图一)。2A，c和补充表3)。此外，我们仅通过将我们的分析局限于fda批准、临床指南、临床试验或临床证据中的断言来描述建立良好的关系。MOAlmanac从253例患者(黑色素瘤73例，mCRPC 118例，Kirp 37例，OS 25例)中检出412例此类事件，其中227例(55.1%)被phial标记为临床相关性事件。例如，最常见的标记功能是BRAFP.V600E(39例)治疗转移性黑色素瘤，艾尔在mCRPC中扩增(82例)，相见基尔普和基尔普的扩增(18例)Rb1OS缺失12例。当包含“调查可行动性”变体时，另有93名患者(占队列的22.2%)携带有潜在临床相关性的变体，例如NRASP.Q61K(10例黑色素瘤患者)对硒美替尼敏感，其中43例以平扫为主。Phial确定两个事件为“可采取行动”，186个事件为“调查行动能力”，而MOAlmanac没有强调这两个事件；然而，由于缺乏足够的临床相关性证据等原因，与这些事件相关的所有基因都没有从目标转移到MOAlmanac。方法).
图2：MOAlmanac在四个回顾性队列中增加了指定的临床相关分子特征的数量。对110例转移性黑色素瘤、150例转移性黑色素瘤、100例Kirp和59例OS进行了分子水平测定。a，MOAlmanac使临床相关的躯体变异或拷贝数改变的患者数量从295人增加到365人，相对于phial的结果；患者垂直排列在不同的特征类型之间。b，在临床测序中没有经常使用的分子特征被用来扩展翻译假设。c，临床相关的体细胞变体的计数或本体论对拷贝数的改变。放大器，放大；DEL，删除。d，从扩展特征类型中统计临床相关的分子特征。全基因组加倍。数据可作为源数据使用。
源数据
接下来，我们仍然将我们的分析局限于体细胞变异和拷贝数的改变，我们调查了包括临床前和推理证据来源如何影响对潜在可操作结果的识别。根据临床前证据，从140名患者中鉴定出164例此类基因组事件(例如，PTEN缺失率和对Everolimus或AZD 8186的敏感性分别为91例(55.49%)和91例(55.49%)。推理证据突出了24例患者的额外的可采取行动的拷贝数改变，其中最显著的是CCND 1报告的对巴氏杆菌敏感性的放大(n=15)。因此，利用所有编目的证据，MOAlmanac注意到1,445个体细胞变异和拷贝数的改变是“可采取行动”或“调查行动能力”的365名患者(109例黑色素瘤，142例mCRPC，72例Kirp，42例OS)。在这些事件中，Phial强调79(5.5%)为“可采取行动”，374(25.9%)为“调查行动能力”，390(27%)为“生物相关”(图一)。3).
图3：按方法和特征类型在回顾性队列中观察到的临床相关分子特征的计数。标记为“可采取行动”或“调查行动能力”的分子特征的计数，由phial和目标值相对于moalmanac标记。梅尔黑色素瘤。数据可作为源数据使用。
源数据
然后，我们评估了一组扩展的分子特征(包括生殖系变异和融合作为附加一级特征，tmb、突变特征和非整倍体作为二级特征，这些特征都不是由phial处理的)是否能进一步扩大单个患者的可操作性(图1)。2B，d)。在有这种特征类型改变的患者中，观察到的额外特征的中位数为1(最小，1；最大，23)。致病性和可能致病性生殖细胞变异体强调了13个不同样本的13个临床相关分子特征(黑色素瘤为零，mCRPC为10个，Kirp为2个，OS为1个)，其中7个为BRCA 1和/或BRCA 2变体。MOAlmanac在91例患者中鉴定出137例临床相关融合；10例mcrpc肿瘤未携带任何可采取行动的体细胞变体或拷贝数改变，但确实含有TMPRSS 2–埃尔格。在二级分子特征方面，44例转移性黑色素瘤患者TMB升高，4例mCRPC患者TMB升高(方法在116个分子图谱中观察到与临床相关的突变特征；180个图谱中观察到与预后不良相关的全基因组加倍。30。在其中一些情况下，这些特性的组合在同时出现时特别重要。例如，致病的BRCA 2在一例患者中观察到了ps 1882*变异，其中39%的突变特征归因于宇宙信号3，这两种突变都可能表明同源重组修复缺陷和对多聚(adp-ribose)聚合酶(Parp)抑制的敏感性。31,32,33。通过考虑这些特征类型，MOAlmanac在329例患者中确定了另外557个临床相关分子特征，导致395例患者至少有一次与治疗敏感性、耐药性或预后相关的事件(图1)。3).
总之，MOAlmanac在100%的转移性黑色素瘤患者、99.3%的mCRPC患者、85%的Kirp患者和86.4%的OS患者中发现了至少一个与临床相关的特征，使用了从FDA批准到推理关系以及一级和二级分子特征的证据。相比较而言，phial在91.8%的转移性黑色素瘤患者、87.3%的mCRPC患者、27%的Kirp患者和61%的OS患者中发现了此类体细胞变异和拷贝数改变(图1)。4A)。因此，纳入额外的特征类型和证据的临床解释为患者提供了一套扩大的临床假设。
图4：在四个回顾性队列中，MOAlmanac增加了至少一个临床相关改变的患者的数量。对110例转移性黑色素瘤、150例转移性黑色素瘤、100例Kirp和59例OS进行了分子水平测定。a通过考虑额外的特征类型，MOAlmanac减少了至少一种临床相关改变的患者数量，并减少了其他变异阴性患者的数量。CNA，拷贝数改变；SNV，单核苷酸变异。b，包括治疗敏感性证据的临床前证据为另外68名患者提供了一个分子匹配的治疗假说。数据可作为源数据使用。
源数据
特别关注治疗敏感性，额外的证据来源提供了其他变异阴性患者的临床假设(图一)。4B)。Fda批准或临床指南联合治疗了419例患者中的235例(79例黑色素瘤，109例mcrpc，36例Kirp，11例OS)；16例患者从体细胞变异和拷贝数改变(如致病性)以外的特征类型获得了治疗假说。BRCA 2生殖系变异体(两名病人)或NTRK融合(1例)。包括临床前证据，提供了68例其他变异阴性患者的治疗假说，另外28例患者由于推理证据，例如，CDKN2A和/或CDKN2B12例EPZ 015666缺失及敏感性。
利用临床前模型研究临床可操作性
接下来，我们研究了来自高通量肿瘤细胞株治疗筛选的临床前数据是否能进一步为MOAlmanac方法的临床解释提供依据。我们从肿瘤细胞株百科全书和桑格研究所的肿瘤药物敏感性基因组学(GDSC)中鉴定了452个实体肿瘤细胞株，它们拥有关于核苷酸变异、拷贝数改变、融合和药物敏感性的现有数据(方法)34,35。在MOAlmanac的137种分类疗法中，44种在当前的GDSC 2数据集中，15种额外的治疗仅在旧的GDSC 1数据集中表示。这59种疗法涉及274种基因组改变和治疗敏感性之间的分类断言，每一种MOAlmanac评估野生型细胞株的敏感性，而那些有相应或相关改变的细胞株。例如，在编目的临床前关系之间PIK3CAP.h1047r和对白癜风的敏感性，moalmanac报告对野生型细胞株的敏感性相对于那些在PIK3CA中的任何非同义变体PIK3CA，任何基因中的错义变异，以及那些与P.H1047R变异特别相关的变异(扩展数据图)。2)。在所有可评估的关系中，18种疗法的半数最大抑制浓度(IC)有显着性差异。50)野生型和突变型细胞系(补充表)4和方法)。因此，高通量的肿瘤细胞株的治疗筛选被用作一个正交轴的证据，以评估由MOAlmanac提名的临床相关关系。
上述方法简单地比较了不同细胞株之间的敏感性，这些细胞株是否具有单一的特定分子特征。这一方法的一个潜在限制是，它包括与指数特征相同但在基因上高度不同的细胞系，因此它们与潜在患者样本的总体生物学相关性可能是值得怀疑的。因此，我们被激励去识别在分子图谱上有着广泛相似之处的癌细胞株，并研究这种‘细胞间配对’是否能识别出更多的潜在治疗敏感性。以往的研究方法都是根据肿瘤基因组图谱(TCGA)中的重复序列来评估基因的相似性。15,16然而，我们选择了评估模型的基础上，共同的治疗敏感性独立于组织学特定的前驱。我们用一种保持一种方法评估了几种细胞株模型(方法)。对于每个细胞系，我们确定了它的近邻是否对任何GDSC治疗都有相同的药物敏感性(图一)。5A和方法)。相似网络融合应用于涉及CGC基因的核苷酸变异、拷贝数改变和重排，以及与FDA批准相关的基因组改变，最常被分配给一个最近的近邻，共享药物敏感性(19.1%，图1)。5B和方法)36。一种至少包含与FDA批准相关的一种改变的细胞系导致75%的病例(205例中的154例)与最近的邻居共享这一特性。当考虑所有被评估的细胞系时(n共有22.5%的CGC基因改变，主要由拷贝数改变驱动(中位数24.2%；最低24.2%；最大值85.7%)，其次是躯体变异(中位数18.2%；最小0%；最大值59.1%)，然后是重排(中位数0%；最小0%；最大值100%)(扩展数据图)。3和方法).
图5：配置成细胞线匹配。MOAlmanac利用已被分子表征并经过高通量治疗筛选的癌细胞株的临床前数据，通过对细胞株的配对提供补充假设。a，对癌细胞株的体细胞snv、拷贝数改变和融合进行格式化，用moalmanac和cgc注释，并将其转化为样本。x功能布尔DataFrames。特征集和相似性度量是通过它们根据共同的基因组特征对细胞株进行相对排序的能力来评估的，因此，具有共同治疗敏感性的细胞系被认为更相似。从信息检索中获得的指标被用于评估(方法). b，采用保留一种方法对癌细胞株进行了模型评估.选择的模型使用相似网络融合(SNF)将体细胞变异、拷贝数改变和CGC基因中的融合网络与FDA批准的特定MOAlmanac特征结合起来。非同义词；主成分分析。c、最近复发的邻居及其对四组病人的敏感治疗。中枢神经系统，中枢神经系统；NB，神经母细胞瘤。数据b,c作为源数据。
源数据
该配置文件对细胞系匹配模块，然后应用于我们以前特征的病人队列(图一)。5C)。在mcrpc队列中，在452个被测细胞系中，最常见的最近邻细胞系是两个前列腺癌细胞系之一，150个患者中的25个。与转移性黑色素瘤患者最接近的细胞系通常对MEK和RAF抑制剂敏感，包括SB 590885、dbrafenib和PLX-4720(vemurafenib，图1)。5C)。虽然最常见的近邻是肝癌细胞系，而不是皮肤衍生细胞(SKHEP 1)，但它含有BRAFP.V600E体细胞变异体。此外，在110个黑色素瘤轮廓中，26个最接近皮肤来源的细胞系，39个轮廓中有36个是BRAFP.V600E突变体与其最近的邻居共享此事件。该方法报告了对所有基因组相似的细胞系的敏感疗法。
前瞻性试验的综合临床解释
最后，我们将完全MOAlmanac方法推荐的治疗策略与83名患者的治疗策略进行了比较，以确定个体化癌症治疗的特征相关证据(I-预测)，NCT 02534675)，一项基于面板测序(基础医学的基础一)的个性化治疗的前瞻性临床试验。37。根据MOAlmanac证据水平(补充表)对研究中的分子特征和临床作用之间的引用和关系进行了回顾和分类。5)。MOAlmanac处理了为我预测的83名病人在每个病人的基础上报告的524个分子特征.本研究中使用的治疗方法(45种独特疗法)或我们的方法强调的疗法(40种疗法)根据专家根据共有路径目标进行的评估，按治疗策略进行分类，总共得到33种独特的治疗策略(补充表)。5)。39例(47%)患者在推荐治疗策略上出现重叠(图一)。6A)，其中31项涉及MOAlmanac对患者最优先的治疗。对于MOAlmanac基于fda证据或临床指南强调的患者治疗对，60%的人参与了这项研究提供的治疗策略。在MOAlmanac所强调的与“FDA批准的”或“指南证据”无关的10名患者中，有1名患者使用的是I-预测策略，其余9种被指定的治疗方法被批准用于其他疾病环境。对于基于较弱证据类别的提名，临床前证据的一致性为18%，推理证据的一致性为50%(图一)。6B)。最常见的协调策略是雌激素受体(ER)信号、PI3K-AKT-mTOR和Pd-1-PD-L1抑制(分别为9例、9例和8例)。在未被分享的策略中，我预测对患者有利的血管内皮生长因子(VEGF)抑制。TP 53改变(18例)，而MOAlmanac经常强调蛋白质精氨酸甲基转移酶(PRMT 5)抑制作用(13例)，这是基于EPZ 015666的临床前关系。CDKN2A和/或CDKN2B删除(图1.6C).
图6：MOAlmanac在前瞻性临床试验中的应用。我们调查了MOAlmanac是否能突出类似的治疗策略，这些策略被现实世界的证据所使用.将MOAlmanac应用于I-预测试验，对83例患者进行了分子匹配治疗的疗效评价.治疗和相应的分子特征被映射到那些在我的预测和强调的MOAlmanac的治疗策略。a39例(47%)患者采用一种共同的治疗策略，其中31例采用MOAlmanac最优先的治疗方法。b，MOAlmanac推荐的治疗策略更多的是为那些基于可靠证据(即fda批准；60%的治疗-病人对)而提出的治疗策略，而不太确定的证据，如临床前证据(18%)。c，治疗策略，个体化治疗，基因和分子特征，由我-预测和强调由MOAlmanac。TMB-INT，肿瘤突变负担中间体。数据可作为源数据使用。
源数据
最后，利用我们对细胞的配对模型，我们发现最近的近邻细胞系对两种疗法的中位数是敏感的。例如，在研究ID 105(60岁女性乳腺癌患者)中，我预测了常春藤和莫阿马纳克强调了AZD 8186和比奇利特西布。最近邻细胞系CAL-29(膀胱癌)对GDSC 2报道的taselisib和alpelisib敏感，两者均以PI3K-AKT-mTOR为靶点.在另一例病例中，我预测使用伦瓦替尼和ramuciumab抑制VEGF-VEGF受体(R)对44岁男性食管腺癌IDA 009的抑制作用。MOAlmanac强调抑制成纤维细胞生长因子受体(FGFR)对治疗的敏感性，而最近邻癌细胞株A 204(软组织)对VEGF和FGFR的抑制(VEGF、cediranib、linifanib、motseanib、ponatinib和tivozanib)和FGFR、ponatinib均敏感。因此，moalmanac重述了在可能的泛癌环境中建立的决策模式，并在其他情况下扩展了在新的治疗方向上的潜在断言。
