基于贝叶斯的定量不良结局通路:利用公开文献中的体外数据和连续变量——以肝纤维化为案例

Towards Bayesian-based quantitative adverse outcome pathways using in vitro data from open literature and continuous variables: a case example for liver fibrosis

作者信息Robin Durnik, Tereza Juchelkova, Helge Hecht, Levi M T Winkelman, Joost B Beltman, Xavier Coumoul, Florence Jornod, Karine Audouze, Ludek Blaha, Lola Bajard
PMID42528268
发布时间2026-07-29
DOI10.1093/toxsci/kfag090

实验完整度

中

研究包含文献数据挖掘、体外数据整合、贝叶斯建模和体内数据验证,但缺乏新生成的实验验证,主要依赖公开数据。

主要模型

多细胞肝脏体外模型(含人肝细胞和星状细胞) LX-2星状细胞系 Open TG-GATEs大鼠体内数据

重点核对

体外模型需包含肝细胞和星状细胞(如HepaRG、HepG2、LX-2) 暴露条件(化学品种类、浓度、时间)需与文献一致 标志物检测方法(ATP、aSMA、COL1A1)需标准化 COL1A1阈值1.5的适用性需验证

摘要

随着毒理学转向非动物试验,定量模型对于从分子或细胞扰动预测不良健康效应至关重要。定量不良结局通路(qAOPs)代表了此类模型,其建立在机制知识的基础上,并量化了AOPs中描述的关键事件关系(KERs)。尽管需求已得到认可,但qAOPs的数量仍然有限。基于贝叶斯的方法常被选择用于开发qAOP,因其灵活性,但大多数使用离散变量,限制了其预测能力。此外,这些模型主要基于新生成的数据构建,未充分利用大量可用信息。本研究成功利用了公开文献中的数据,并提出了一种基于连续变量的创新框架,以开发针对肝纤维化中心KER的基于贝叶斯的定量模型。该模型根据对组织损伤的影响,利用多种化学品的体外数据,预测肝星状细胞活化两个关键标志物(aSMA和COL1A1)表达倍数变化的概率。我们提出了一种新开发的工作流程,以协助从科学文献和化学数据库中识别、组织和提取知识。基于体外数据和来自Open TG-GATEs(毒物基因组学项目-基因组学辅助毒性评价系统)数据库的体内信息,我们估计了COL1A1倍数变化的生物学相关范围,该范围指示星状细胞的活化状态和高肝纤维化优势比。我们的研究提供了一个整合已发表数据和连续变量来构建基于贝叶斯模型的案例,这是从体外数据预测肝纤维化的关键一步。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
如何利用公开文献中的体外数据和连续变量,构建基于贝叶斯的定量AOP模型,以预测肝纤维化关键KER(肝细胞死亡导致星状细胞活化)的概率关系?
核心机制
肝细胞损伤(ATP减少)导致星状细胞活化(aSMA和COL1A1表达增加),其中aSMA可能介导COL1A1的表达,构成ATPperc→aSMA→COL1A1的因果链。
主要证据
基于19篇文献的体外多细胞模型数据,构建GBN模型,显示ATPperc与aSMA负相关(β1=-0.015),aSMA与COL1A1正相关(β1=1.94);结合TG-GATEs体内数据,确定COL1A1倍数变化≥1.5与纤维化风险增加相关(OR=27.7)。
研究意义
为利用公开文献数据构建qAOP提供了案例,有助于推动非动物测试和体外到体内的外推,并为肝纤维化预测提供工具。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

数据收集与筛选

系统收集化学诱导肝纤维化的体外实验数据,并筛选符合条件的研究。

通过手动检索和化学识别器工具,从PubMed和Web of Science中筛选出343篇相关文献,最终纳入19篇。

2

数据提取与预处理

从筛选的文献中提取关键事件标志物数据,并进行异常值检测和正态性评估。

手动提取ATP、aSMA、COL1A1的表达数据,进行Tukey异常值检测、Shapiro-Wilk正态性检验和KL散度分析。

3

贝叶斯网络构建

构建基于连续变量的高斯贝叶斯网络,定量描述KER关系。

基于AOP知识定义网络结构(ATPperc→aSMA→COL1A1),使用bnlearn包进行参数学习。

4

模型验证与性能评估

评估模型的预测性能、泛化能力和不确定性。

使用5折交叉验证计算R2、NMSE和AUC,并采用LOGO-CV评估化学和研究的泛化性。

5

阈值确定

确定COL1A1表达倍数变化指示星状细胞活化和肝纤维化的生物学相关阈值。

结合TGFβ刺激的体外数据(54/59点≥1.5)和TG-GATEs体内数据(ROC分析最佳阈值为1.32,实际选择1.5),确定阈值。

6

概率推断

利用贝叶斯网络在给定细胞损伤水平下预测下游标志物的概率分布。

使用cpdist函数进行概率查询,绘制qKER曲线。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
文献追踪工具----
化学识别器----
RStudio----
逆转录定量PCR----
R 4.5.1----

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
数据收集
检索日期、纳入和排除标准,特别是模型类型(包含肝细胞和星状细胞)和化学物质(外源性化学物,排除胆汁酸等)。
阅读提示:Methods: Data collection, 及附录S1和S2
数据提取
提取的变量(ATP、aSMA、COL1A1)及其测量方法(RT-qPCR)必须一致。
阅读提示:Methods: Master table 和 Appendix S3
贝叶斯网络构建
网络结构(ATPperc→aSMA→COL1A1)必须与文献一致,参数学习的样本量需满足最小要求。
阅读提示:Methods: BN elaboration
阈值确定
用于定义阈值的体外数据(TGFβ刺激)和体内数据(TG-GATEs)的具体筛选条件(如P<0.1)和统计方法(ROC、Youden指数)。
阅读提示:Results: Biologically relevant threshold 和 Methods: In vivo data analysis