综述:机器学习与多组学整合

时间:2025年4月3日
来源:Journal of Translational Medicine

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这篇综述系统阐述了人工智能(AI)与多组学(multi-omics)技术在心血管疾病(CVDs)研究中的交叉应用。作者详细分析了机器学习(ML)如何整合基因组学、蛋白质组学等组学数据,从疾病预测、诊断到治疗和预后评估的全流程优化,并探讨了当前挑战如数据标准化(如Olink与Somalogic平台差异)和模型可解释性(如Transformer架构的局限性)。文中特别强调了AI驱动的生物标志物发现(如APOA/HPT组合)和药物靶点预测(如IGF1R/RAF1)对精准医学的推动作用。

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在心血管疾病研究的浪潮中,机器学习与多组学技术的融合正掀起一场革命。这篇综述揭示了人工智能如何解码基因组学(GWAS)、蛋白质组学(如Olink 5000靶点平台)和代谢组学的海量数据,为心血管疾病的全周期管理提供全新视角。

预测与预防的智能突破
监督学习模型GPS-mult通过11万余人基因组数据,显著提升冠心病十年风险预测效能(AUC>0.75),而血浆蛋白质组学模型则擅长短期预警。值得注意的是,AI发现的新风险基因组合如APOA/IGAH2/HPT,正在改写传统Framingham评分体系。对于恶性心律失常,深度学习模型通过SNP累积效应分析,虽个体预测精度有限(AUC 0.75),但为青年猝死预防提供了基因层面的筛查策略。

诊断标志物的多维挖掘
蛋白质组学驱动的SMART模型升级版,将冠脉疾病诊断AUC从0.75提升至0.81。单细胞转录组分析则揭示了DCM患者外周血中HFrEF相关基因标记,其诊断价值媲美BNP。更令人振奋的是,甲基化调控的五个枢纽基因成功构建了非炎症期冠心病预测模型,展现了表观遗传学的临床潜力。

治疗策略的AI革新
深度学习模型Geneformer通过3000万单细胞转录组预训练,精准预测心肌病药物靶点,实验验证其可改善心功能。在药物重定位领域,LRF-DTI模型以94.88%准确率预测药物-靶点相互作用,而MSDSE多模态框架则能预警化疗药物心脏毒性。值得注意的是,抗体优化平台通过深度学习使亲和力提升40倍,展现了AI在生物制剂研发中的颠覆性作用。

预后评估的精准升级
蛋白质组学模型在慢性冠心病患者中识别出13个死亡相关蛋白(C-statistic 0.71-0.79),但急性综合征预后预测仍受限于数据质量。移植排斥预测方面,Allomap模型整合供体cfDNA与受体基因表达,显著优于传统心内膜活检。

挑战与未来方向
心肌样本获取难题催生了Live-seq等新技术,但平台差异(如Olink vs Somalogic)仍影响数据可比性。模型可解释性方面,神经传播算法正尝试破解"黑箱"困境。随着Framingham等队列的多组学数据积累,跨模态融合(如超声心动图+代谢组学)将成为下一代AI模型的核心战场。这场始于实验室的技术革命,终将重塑心血管疾病的临床实践版图。

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