一种食管鳞状细胞癌诊断模型的构建方法、所得诊断模型及模型的使用方法技术

本发明专利技术公开了一种食管鳞状细胞癌诊断模型的构建方法，包括：收集食管癌和健康人群的血清样本，采用LC-MS血清代谢组学技术进行分析，得原始代谢指纹图谱；对原始代谢指纹图谱进行图谱预处理和代谢物峰标识，得二维矩阵；从二维矩阵中筛选出适合于食管鳞状细胞癌早期诊断的诊断标记物的信息，得到诊断标记物二维矩阵；根据该诊断标记物二维矩阵，使用R语言中randomForest软件包构建随机森林模型，得食管鳞状细胞癌诊断模型。本发明专利技术还公开了该诊断模型及其使用方法。本发明专利技术模型构建方法简单，所得诊断模型效果良好，灵敏度高，特异性好，不仅适合晚期食管癌的诊断，还适合于早期食管癌的诊断，具有良好的临床使用和推广价值。

【技术实现步骤摘要】
一种食管鳞状细胞癌诊断模型的构建方法、所得诊断模型及模型的使用方法
本专利技术涉及食管鳞状细胞癌的诊断，具体涉及一种食管鳞状细胞癌诊断标记物，诊断标记物的筛选方法、以该诊断标记物为基础构建的诊断模型，以及诊断模型的构建方法，该诊断标记物和诊断模型对于食管原位癌、早期和晚期食管癌都具有很好的诊断效果，特别适合于食管癌早期诊断，属于食管鳞状细胞癌诊断

技术介绍
食管癌(esophagealcancer)是由食管鳞状上皮或腺上皮的异常增生所形成的恶性病变。据世界卫生组织最新数据表明：全世界每年约有40万人死于食管癌，我国是食管癌发病率和死亡率最高的国家，且90％患者的组织类型为鳞状细胞癌(ESCC)。食管癌发病隐匿，早期无症状或症状很不典型，发现时已是临床晚期，普遍预后不佳(5年生存率约为13％)。因此，早期诊断和早期治疗是改善食管癌预后、降低死亡率的关键。目前，在食管癌高发区的早诊早治平台和临床上常用的早期筛查和诊断方法包括食管拉网细胞学检查、X线钡餐造影、食管超声内镜、食管内镜检查等。但这些方法均为有创检查、操作复杂、且价格高昂，限制了其在食管癌筛查和早期诊断中的广泛应用。食管癌发生涉及多因素、多阶段、多基因变异积累及与环境因素相互作用的复杂过程，包括在分子水平上涉及众多原癌基因、抑癌基因以及蛋白质的改变，以及长期不良的生活或饮食习惯的影响(进食含亚硝胺类较多的食物、如喜欢腌制酸菜或霉变食品、长期喜进烫食、吸烟、饮酒不良嗜好等)。代谢组学是对生物样品(如血清、尿液、唾液等)中所有分子量低于1000Da小分子代谢物(如脂肪酸、氨基酸、核苷及甾体等生物小分子)进行定性定量检测，从而监测机体受疾病或危险因素累积等干扰后内源性物质做出的代谢响应。体内的生物信息由基因经转录传递给蛋白质，最终体现为小分子代谢物。不同于基因组学和蛋白组学反映的生物体内在差异，代谢组学的研究领域扩展到了机体与环境之间的相互影响和作用。小分子代谢物不仅是机体生命活动、生化代谢的物质基础，还体现了某些外来因素对体内代谢环境的改变，因而某些独特代谢物的浓度在不同个体间的差异事实上反映了疾病内在的表现和外在病因。近年来研究发现，诸如代谢性疾病和恶性肿瘤(卵巢癌)等疾病发生发展过程中，机体基础生化代谢均发生了明显变化，对人类理解复杂疾病的代谢机制将发挥重要作用，同时为复杂疾病的筛检和早期诊断提供崭新的技术方法。食管癌的发生发展是由多基因及环境因素相互作用所致，首先是相关的功能基因表达发生改变或突变，然后是一系列细胞信号传导及蛋白质合成改变，最终在与环境因素相互作用下使得代谢产物发生变化。食管癌的发生正是环境危险因素逐渐积累并不断损伤机体各代谢通路稳态的结果。目前，已经有人利用代谢组学对食管癌进行研究，例如Wu等(WuH,XueR,LuC,etal.Metabolomicstudyfordiagnosticmodelofoesophagealcancerusinggaschromatography/massspectrometry.JChromatogrBAnalytTechnolBiomedLifeSci,2009,877(27):3111-7.)、Zhang等(ZhangJ,BowersJ,LiuL,etal.EsophagealcancermetabolitebiomarkersdetectedbyLC-MSandNMRmethods.PLoSOne,2012,7(1):e30181.)、Xu等(XuJ,ChenY,ZhangR,etal.Globalandtargetedmetabolomicsofesophagealsquamouscellcarcinomadiscoverspotentialdiagnosticandtherapeuticbiomarkers.MolCellProteomics,2013,12(5):1306-18.)都利用代谢组学技术对食管癌进行了研究。食管癌的发生发展伴随着体内多种代谢物的改变，一般需要几年甚至十几年，如能在癌变早期阶段发现，进行早期治疗，可有效提高预后效果。而事实上，已有研究证明在疾病发病前或危险因素累积阶段，内源性物质就会做出相应的代谢响应。例如，Zhao等通过代谢指纹图谱研究揭示了糖尿病前期患者的代谢特征，并证实了脂肪酸、色氨酸、尿酸、胆汁酸等的代谢改变发生于疾病出现临床症状前很长一段时间里，为代谢性疾病的筛查、早期诊断和干预提供了新的可能。然而，上述食管癌代谢组学研究纳入的主要是食管癌晚期患者，而大多没有纳入或很少的纳入早期食管癌病例。晚期食管癌已发生淋巴结和远处转移，甚至出现肿瘤恶病质状态，此时机体代谢已发生很大的变化，因此，这些研究仅能发现食管癌发病晚期同健康对照相比的代谢轮廓差异，根据这些代谢轮廓的差异仅能较好的诊断出晚期食管癌，而对于早期食管癌却无法进行诊断，即不能实现食管癌的早期诊断。其次，上述食管癌代谢组学研究仅获得很少一部分与食管癌发病相关的代谢物(从研究层次上仅是代谢靶标分析，而不是代谢轮廓或代谢组学分析)。此外，上述研究大多未从食管癌的客观分子筛查/早期诊断标准模型的角度评价代谢组学的转化医学潜力及应用效果，大部分并未报告筛选的代谢物的筛查/诊断食管癌的灵敏度、特异度以及ROC曲线下面积AUC值。专利技术人前期针对食管癌已经进行了一系列研究，采用代谢组学的技术研究了能够进行食管癌早期筛查的代谢组学分析模型，该技术对于我国食管癌高发区的高危人群发现具有的应用和推广价值，目前已经在山东肥城市试点应用。然而，食管癌高发群筛查和临床早期诊断仍具有诸多不同。食管癌高发区筛查是高发区的以健康或表面健康的人为观察对象，目的是在健康的人群中发现那些表面健康，但可疑患有食管部位病变的人(高危个体)，筛查试验阳性者须作进一步的诊断或干预；而诊断是在临床环境下以患者或可疑患者为观察对象，目的是区分患者是否有相应病症，对患者病情做出及时、正确的判断，以便采取相应有效的治疗措施，临床上诊断阳性者要给予治疗(如手术、化疗或放疗)。目前，医院普遍使用有创伤、操作复杂、且价格高昂的影像学检查临床诊断食管癌病例，并且患者主动就诊是大多已为晚期，因此仍缺少能简单有效的用于临床食管癌诊断(特别是早期食管癌诊断)的血清生物标记物。因此，寻找特异、敏感、经济和无创的食管癌早期诊断血清代谢标记物，并建立一种安全有效的食管癌早期分子诊断模型具有重要的临床应用价值。
技术实现思路
针对现有技术中食管鳞状细胞癌(简称食管癌)的诊断操作复杂、价格昂贵、有创伤性，目前的标记物仅对晚期食管癌灵敏度高，不能实现食管癌的早期诊断等不足，本专利技术提供了一种适合于食管鳞状细胞癌早期诊断的诊断标记物，该诊断标记物对于食管原位癌、早期食管癌、晚期食管癌都具有较好的灵敏度和特异度，不仅能够用于晚期食管癌的诊断，还能够较好的用于食管鳞状细胞癌的早期诊断，对于改善食管鳞状细胞癌预后、降低死亡率有很重要的意义。本专利技术还提供了上述适合于食管鳞状细胞癌早期诊断的诊断标记物的筛选方法，通过该方法所得的标记物对于早期和晚期食管癌都具有很好的灵敏度和特异性，尤其是适合食管癌的早期诊断，对于食管癌的治疗有重要的临床意义。本专利技术还提供了一种食管鳞状细胞本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种食管鳞状细胞癌诊断模型的构建方法，其特征是，包括以下步骤：（1）收集食管鳞状细胞癌患者和健康人群血清样本，作为分析样本，其中食管鳞状细胞癌血清样本包括食管原位癌血清样本、早期食管癌血清样本和晚期食管癌血清样本；（2）将每个分析样本采用LC‑MS血清代谢组学技术进行分析，得各血清样本的原始代谢指纹图谱；（3）使用R语言XCMS软件包对各血清样本的原始代谢指纹图谱分别进行图谱预处理，得到每行为分析样本，每列为代谢物信息的二维矩阵，同时使用R软件包CAMERA对二维矩阵进行代谢物峰标识，用于进一步的统计分析；（4）根据质荷比和保留时间从二维矩阵中筛选出适合于食管鳞状细胞癌早期诊断的诊断标记物的信息，得到诊断标记物二维矩阵；（5）根据该诊断标记物二维矩阵，使用R语言中randomForest软件包构建随机森林模型，得食管鳞状细胞癌诊断模型。

【技术特征摘要】
1.一种食管鳞状细胞癌诊断模型的构建方法，其特征是，包括以下步骤：（1）收集食管鳞状细胞癌患者和健康人群血清样本，作为分析样本，其中食管鳞状细胞癌血清样本包括食管原位癌血清样本、早期食管癌血清样本和晚期食管癌血清样本；（2）将每个分析样本采用LC-MS血清代谢组学技术进行分析，得各血清样本的原始代谢指纹图谱；（3）使用R语言XCMS软件包对各血清样本的原始代谢指纹图谱分别进行图谱预处理，得到每行为分析样本，每列为代谢物信息的二维矩阵，同时使用R软件包CAMERA对二维矩阵进行代谢物峰标识，用于进一步的统计分析；（4）根据质荷比和保留时间从二维矩阵中筛选出适合于食管鳞状细胞癌早期诊断的诊断标记物的信息，得到诊断标记物二维矩阵；（5）根据该诊断标记物二维矩阵，使用R语言中randomForest软件包构建随机森林模型，得食管鳞状细胞癌诊断模型；步骤（4）中，适合于食管鳞状细胞癌早期诊断的诊断标记物包括：血清代谢标记物A：溶血卵磷脂LysoPC(18:2(9Z,12Z))，和血清代谢标记物B：溶血卵磷脂LysoPC(24:0)。2.根据权利要求1所述的构建方法，其特征是：适合于食管鳞状细胞癌早期诊断的诊断标记物还包括血清代谢标记物C，所述血清代谢标记物C选自以下血清代谢标记物中的一种或多种：beta-丙氨酸-赖氨酸(beta-Ala-Lys)、左旋肌肽(L-Carnosine)、顺-9-十六碳烯酸(cis-9-Palmitoleicacid)、棕榈酸(Palmiticacid)、油酸(OleicAcid)、溶血磷脂酸LPA(18:1(9Z)/0:0)、溶血卵磷脂LysoPC(14:0/0:0)、磷脂PC(14:1(9Z)/P-18:1(11Z))、磷脂PC(16:0/18:2(9Z,12Z))、磷脂PC(24:1(15Z)/22:6(4Z,7Z,10Z,13Z,16Z,19Z))、亚油酸(Linoleicacid)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)、皮质醇(Cortisol)、L-酪氨酸(L-Tyrosine)、L-色氨酸(L-Tryptophan)、甘氨胆酸(GlycocholicAcid)、牛磺胆酸盐(Taurocholate)、次黄嘌呤(Hypoxanthine)、尿囊酸(Allantoicacid)、肌苷(Inosine)、1-磷酸鞘氨醇(Sphingosine1-phosphate)、硫酸半乳糖基酰基鞘氨醇3-O-Sulfogalactosylceramide(d18:1/20:0)、乳糖神经酰胺Lactosylceramide(d18:1/22:0)。3.根据权利要求2所述的构建方法，其特征是：适合于食管鳞状细胞癌早期诊断的诊断标记物还包括血清代谢标记物C，所述血清代谢标记物C选自以下血清代谢标记物中的一种或多种：溶血磷脂酸LPA(18:1(9Z)/0:0)、溶血卵磷脂LysoPC(14:0/0:0)、磷脂PC(14:1(9Z)/P-18:1(11Z))、磷脂PC(16:0/18:2(9Z,12Z))、磷脂PC(24:1(15Z)/22:6(4Z,7Z,10Z,13Z,16Z,19Z))、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)、皮质醇(Cortisol)、L-色氨酸(L-Tryptophan)、牛磺胆酸盐(Taurocholate)、次黄嘌呤(Hypoxanthine)、肌苷(Inosine)、硫酸半乳糖基酰基鞘氨醇3-O-Sulfogalactosylceramide(d18:1/20:0)、乳糖神经酰胺Lactosylceramide(d18:1/22:0)。4.根据权利要求3所述的构建方法，其特征是：适合于食管鳞状细胞癌早期诊断的诊断标记物还包括血清代谢标记物C，所述血清代谢标记物C选自以下血清代谢标记物中的一种或多种：磷脂PC(14:1(9Z)/P-18:1(11Z))、磷脂PC(24:1(15Z)/22:6(4Z,7Z,10Z,13Z,16Z,19Z))、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)、皮质醇(Cortisol)、牛磺胆酸盐(Taurocholate)、硫酸半乳糖基酰基鞘氨醇3-O-Sulfogalactosylceramide(d18:1/20:...

【专利技术属性】
技术研发人员：王家林，薛付忠，张涛，赵德利，朱正江，
申请(专利权)人：山东省肿瘤防治研究院，
类型：发明
国别省市：山东;37