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基于Transformer的纵向生存数据深度表征学习模型VaDeSC-EHR在克罗恩病精准分型中的应用
《Nature Communications》:
【字体: 大 中 小 】 时间:2025年03月15日 来源:Nature Communications
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《Nature Communications》推荐:针对电子健康记录(EHR)中诊断轨迹与风险事件交互建模的难题,Jiajun Qiu团队开发了基于Transformer的变分自编码器VaDeSC-EHR。该模型通过整合高斯混合先验与威布尔生存分布,在UK Biobank数据中成功识别出4个具有显著临床和遗传差异的克罗恩病亚型,为精准医疗提供了新型计算工具。
在数字化医疗时代,电子健康记录(EHR)已成为临床研究的金矿,但如何从海量异构数据中挖掘有临床意义的患者亚型仍是重大挑战。传统方法往往将诊断轨迹与生存风险割裂分析,导致分型结果存在显著异质性。以克罗恩病(CD)为例,这种复杂的炎症性肠病表现为高度可变的临床进程,约30%患者会发展为肠道狭窄等严重并发症,但现有分型方法难以准确预测疾病进展轨迹。
针对这一难题,来自荷兰马斯特里赫特大学等机构的研究团队在《Nature Communications》发表了创新性研究成果。他们开发的VaDeSC-EHR模型首次将Transformer架构与变分深度生存聚类(VaDeSC)框架相结合,通过多层级ICD-10编码嵌入和序列池化(SeqPool)技术,实现了对纵向EHR数据与生存时间的联合建模。该研究不仅通过合成数据和糖尿病基准测试验证了模型优越性,更在1908例CD患者中发现了4个具有独特临床特征的亚型,其中rs2523608等遗传变异与快速进展亚型显著相关,为CD的精准治疗提供了新靶点。
关键技术方法包括:1)基于UK Biobank的352,891例患者EHR构建诊断序列;2)开发含高斯混合先验的Transformer变分自编码器;3)采用威布尔混合分布建模簇特异性生存风险;4)通过多层级ICD-10嵌入(子类/类/块)捕获诊断语义;5)使用嵌套交叉验证评估模型性能。
模型架构与验证:
研究团队设计的VaDeSC-EHR采用编码器-解码器架构,创新性地将ICD-10代码分解为块(如K50-K52)、类(K50)和子类(K50.1)三级嵌入,并与年龄、就诊类型嵌入相加。Transformer编码器输出经SeqPool层聚合为患者表征,在潜在空间服从高斯混合分布。在合成数据测试中,模型以64%准确率显著优于基线方法(VaDeSC-MLP为57%),且风险预测一致性指数(CI)达0.77。在1型/2型糖尿病分型任务中,模型无需使用诊断年龄仍实现81%准确率,证实其捕获时序特征的能力。
克罗恩病亚型发现:
应用该模型分析CD患者数据,研究揭示了四个显著差异的亚型:缓慢进展的簇1/4和快速进展的簇2/3。值得注意的是,簇1虽进展缓慢却富集吸烟史(OR=1.86×10-5),且吸烟与较低梗阻风险相关(HR=-0.76)。遗传分析显示,快速进展亚型在适应性免疫应答通路显著富集(如rs2523608,p<0.05),该SNP与干扰素β-1a治疗反应相关,提示亚型特异性治疗靶点。
临床与机制解析:
纵向分析发现,缓慢进展亚型在CD确诊前有更长的前驱期(2倍于快速进展者),且富集贫血(D64)和高血压(I10)等共病。而快速进展亚型确诊后更易出现腹痛(R10)和呕吐(R11)。UMAP可视化显示各亚型在潜在空间明显分离,生存曲线差异显著(log-rank p<1×10-5)。
这项研究开创性地实现了EHR轨迹与生存风险的协同建模,其方法论创新主要体现在三方面:首先,通过多层级诊断嵌入和Transformer架构,解决了传统方法对时序信息利用不足的问题;其次,威布尔混合分布与变分框架的结合,使模型能同时优化分型效果和风险预测精度;最后,在UK Biobank大数据平台上的验证,证实了模型的临床实用性。发现的CD亚型特异性遗传特征(如rs2523608)不仅为疾病机制研究提供新线索,更启示了"吸烟悖论"等临床现象可能源于患者的异质性构成。该模型框架可扩展至其他复杂疾病的精准分型,为下一代电子病历分析工具树立了新标杆。
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