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Machine-Learning-Based Identification of Tumor Entities, Tumor Subgroups, and Therapy Options
(2023)
Molecular genetic analyses, such as mutation analyses, are becoming increasingly important in the tumor field, especially in the context of therapy stratification. The identification of the underlying tumor entity is crucial, but can sometimes be difficult, for example in the case of metastases or the so-called Cancer of Unknown Primary (CUP) syndrome. In recent years, methylome and transcriptome utilizing machine learning (ML) approaches have been developed to enable fast and reliable tumor and tumor subtype identification. However, so far only methylome analysis have become widely used in routine diagnostics.
The present work addresses the utility of publicly available RNA-sequencing data to determine the underlying tumor entity, possible subgroups, and potential therapy options. Identification of these by ML - in particular random forest (RF) models - was the first task. The results with test accuracies of up to 99% provided new, previously unknown insights into the trained models and the corresponding entity prediction. Reducing the input data to the top 100 mRNA transcripts resulted in a minimal loss of prediction quality and could potentially enable application in clinical or real-world settings.
By introducing the ratios of these top 100 genes to each other as a new database for RF models, a novel method was developed enabling the use of trained RF models on data from other sources.
Further analysis of the transcriptomic differences of metastatic samples by visual clustering showed that there were no differences specific for the site of metastasis. Similarly, no distinct clusters were detectable when investigating primary tumors and metastases of cutaneous skin melanoma (SKCM).
Subsequently, more than half of the validation datasets had a prediction accuracy of at least 80%, with many datasets even achieving a prediction accuracy of – or close to – 100%.
To investigate the applicability of the used methods for subgroup identification, the TCGA-KIPAN dataset, consisting of the three major kidney cancer subgroups, was used. The results revealed a new, previously unknown subgroup consisting of all histopathological groups with clinically relevant characteristics, such as significantly different survival. Based on significant differences in gene expression, potential therapeutic options of the identified subgroup could be proposed.
Concludingly, in exploring the potential applicability of RNA-sequencing data as a basis for therapy prediction, it was shown that this type of data is suitable to predict entities as well as subgroups with high accuracy. Clinical relevance was also demonstrated for a novel subgroup in renal cell carcinoma. The reduction of the number of genes required for entity prediction to 100 genes, enables panel sequencing and thus demonstrates potential applicability in a real-life setting.
Innerhalb der Gruppe der kutanen T-Zell-Lymphome ist die CD4+ klein-/mittelgroßzellige T-Zell-Lymphoproliferation (SMTCL) eine seltene und bisher als provisorisch erfasste Entität.
Um genauere Kenntnisse zu Klinik und Verlauf, Histologie und Immunphänotyp zu gewinnen, untersuchten wir in dieser Fallserie an 95 Fällen entsprechende Charakteristika. Dabei konnten alle der bisher provisorisch definierten Eigenschaften der SMTCL bestätigt werden. Lediglich die 5-Jahre-Überlebensrate zeigte sich mit 100% weitaus höher als die in der WHO-/EORTC-Klassifikation angegebenen 60–80%. Diese Bestätigung der provisorisch definierten Eigenschaften an einem größeren Kollektiv kann dazu beitragen, dass die SMTCL in die nächste Version der WHO-Klassifikation – durch ausreichende Daten gestützt – als definitive Entität aufgenommen werden kann.
Insgesamt konnten in dieser Studie einige Faktoren, die mit einem weniger indolenten Krankheitsverlauf assoziiert sind, identifiziert werden. So zeigten klinisch ein initial bestehender generalisierter Hautbefall sowie eine extrafaziale Lokalisation der Läsion einen weniger indolenten Verlauf an. Auch Patienten, bei denen ein Verlust von CD2, CD3 oder CD5 bei den Tumorzellen festgestellt wurde, wiesen einen für die CD4+ SMTCL ungewöhnlichen und weniger indolenten Krankheitsverlauf mit häufigeren Rezidiven und seltenerem Erreichen einer kompletten Remission auf. Histopathologisch schien eine oberflächlichere Infiltrattiefe des Präparates sowie das Vorhandensein eines fokalen Epidermotropismus einen negativen prognostischen Wert zu besitzen.
Bezüglich des Gesamtüberlebens hatten allerdings auch Patienten mit einem der identifizierten negativen prognostischen Faktoren eine exzellente Prognose. Bei Vorliegen eines dieser negativen Faktoren sollte jedoch eine engmaschigere klinische Überwachung erfolgen.
Follikuläre Lymphome (FL) zählen zu den Non-Hodgkin-Lymphomen und stellen die
größte Untergruppe der B-Zell-Lymphome dar. Bedingt durch ihren meist indolenten
Verlauf werden sie oft erst in einem fortgeschrittenen klinischen Stadium III/IV
diagnostiziert und stellen dann eine systemische Erkrankung dar.
Gelegentlich wird in der histopathologischen Untersuchung eines befallenen
Lymphknotens eine nur partielle Infiltration beobachtet, die häufig auch in den
angeschlossenen Stagingmaßnahmen mit einer nur lokalen Tumorausbreitung (klinisches
Stadium I/II) assoziiert ist. Ein solches lokal begrenztes Stadium kann gemäß der
Standard-Behandlungsprotokolle mit einer alleinigen Strahlentherapie ausreichend
kontrolliert werden.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es zum einen, eine mögliche Assoziation einer nur
partiellen Lymphknoteninfiltration beim FL mit einem lokal begrenzten klinischen Stadium
zu untersuchen. Zum anderen sollte die Inzidenz einer nur partiellen Lymphknoten-
Infiltration beim FL bestimmt werden.
Der Vergleich der Studienkohorte mit einer nur partiellen Lymphknoteninfiltration, definiert
als zumindest ein vollständig erhaltener Lymphfollikel, mit der Kontrollkohorte zeigte
einen hochsignifikanten Unterschied: In der Studienkohorte befanden sich 38 von 40 Fälle
(95%) in einem lokalen Stadium, wohingegen die Kontrollkohorte mit vollständiger
Lymphknoteninfiltration nur bei 10 von 49 Patienten (20%) ein lokales Krankheitsstadium
(p<0.001) aufwies.
Um die erhaltenen Ergebnisse zu validieren, wurden alle FL Grad 1-3A aus dem
exemplarischen Jahr 2001 untersucht. Hier zeigte sich in 34 Fällen (11 %) eine nur
partielle Infiltration. In allen 18 Fällen mit mindestens einem vollständig erhaltenen
reaktiven Keimzentrum lag in Übereinstimmung mit der initialen Studienkohorte ein lokales
Krankheitsstadium I/II vor (p<0.001).
Die erhaltenen Ergebnisse zeigen eindrücklich, dass follikuläre Lymphome mit einem nur
partiellen Befall der Lymphknoten häufig mit einem (noch) lokalen klinischen Stadium
assoziiert sind. In diesen Fällen käme eine alleinige Bestrahlung als Therapieoption in
Betracht.