Generowanie kompleksowej bazy danych onkologii klatki piersiowej - narzędzie do badań translacyjnych

Summary

Baza danych onkologicznej klatki piersiowej została stworzona, aby służyć jako kompleksowe repozytorium danych klinicznych i laboratoryjnych dla celów badań translacyjnych. Baza danych będzie służyć badaczom zajmującym się rakiem translacyjnym w ramach Programu Badawczego Onkologii Klatki Piersiowej. Ta baza danych może być dostosowana do innych modeli nowotworów, a także do innych chorób ludzkich.

Abstract

Projekt Bazy Danych Programu Onkologii Klatki Piersiowej został stworzony, aby służyć jako kompleksowe, zweryfikowane i dostępne repozytorium dobrze opisanych próbek raka i danych klinicznych, które mają być dostępne dla badaczy w ramach Programu Badawczego Onkologii Klatki Piersiowej. Ta baza danych zawiera również dużą ilość danych genomicznych i proteomicznych uzyskanych z różnych badań tkanek nowotworowych. W celu zaprojektowania bazy danych powołano zespół naukowców zajmujących się naukami klinicznymi i podstawowymi, biostatystyka i eksperta w dziedzinie bioinformatyki. Interesujące zmienne zostały jasno zdefiniowane, a ich opisy zostały zapisane w standardowej instrukcji obsługi, aby zapewnić spójność adnotacji danych. Korzystając z protokołu prospektywnego bankowania tkanek i innego protokołu do retrospektywnego bankowania, pobrano próbki guza i normalnych tkanek od pacjentów, którzy wyrazili zgodę na te protokoły. Informacje kliniczne, takie jak dane demograficzne, charakterystyka raka i plany leczenia dla tych pacjentów, zostały wyodrębnione i wprowadzone do bazy danych programu Access. Dane proteomiczne i genomiczne zostały włączone do bazy danych i zostały powiązane z informacjami klinicznymi dotyczącymi pacjentów opisanych w bazie danych. Dane z każdej tabeli zostały połączone za pomocą funkcji relacji w programie Microsoft Access, aby umożliwić menedżerowi bazy danych łączenie informacji klinicznych i laboratoryjnych podczas kwerendy. Poszukiwane dane można następnie wyeksportować w celu analizy statystycznej i wygenerowania hipotezy.

Protocol

1. Protokoły uniwersyteckich badań klinicznych:

1. Na potrzeby tej inicjatywy opracowano dwa protokoły uniwersyteckie. Pierwszy protokół pozwala na prospektywne pobranie tkanek od pacjentów z rakiem płuc, rakiem przełyku, rakowiakiem, grasiczakiem i międzybłoniakiem. Protokół umożliwia również pobieranie krwi i innych płynów ustrojowych od pacjentów do badań biomarkerów. Protokół umożliwia badaczom uzyskiwanie informacji klinicznych od pacjenta, z którego pochodzą takie próbki, poprzez abstrakcję wykresów oraz przechowywanie zarówno próbki, jak i danych klinicznych w chronionej bazie danych.
2. Drugi protokół jest podobny do pierwszego, z tą różnicą, że umożliwia naukowcom dostęp do wcześniej zbankowanych tkanek i innych próbek uzyskanych w trakcie diagnozowania i leczenia raka pacjenta. Kwalifikują się pacjenci, którzy wyrazili zgodę na operację na Uniwersytecie w Chicago i podpisali ten protokół.

2. Protokół zbierania danych klinicznych:

1. Pacjenci przyjmowani do Centrum Medycznego Uniwersytetu w Chicago w celu leczenia wyżej wymienionych nowotworów złośliwych zostali objęci tym protokołem.
2. Kwalifikujący się pacjenci zostali zidentyfikowani przez leczącego ich onkologa i uzyskali zgodę członka zespołu klinicznego przeszkolonego w zakresie dwóch protokołów.
3. Po wyrażeniu zgody informacje o historii medycznej pacjenta były uzyskiwane za pomocą abstrakcji karty i wprowadzane do bazy danych przez członka zespołu wsparcia klinicznego.

3. Protokół pobierania próbek:

Próbki tkanek

1. W protokole tym uwzględniono tkanki zawierające znany lub podejrzewany nowotwór złośliwy uzyskany podczas standardowej opieki klinicznej nad pacjentem za pomocą biopsji lub zabiegu chirurgicznego. Nie uzyskano żadnych dodatkowych tkanek poza tymi, które były niezbędne do diagnostyki pacjenta.
2. Po chirurgicznym usunięciu próbki niezbędnej do przygotowania stałych skrawków, resztki tkanki umieszczono na lodzie.
3. Technik pobierania tkanek przetransportował pozostałą próbkę na lodzie na oddział patologii.
4. Pozostałe tkanki zostały zważone, zmierzone, przeniesione do magazynu, oznakowane i odpowiednio udokumentowane zgodnie ze standardową procedurą operacyjną.
5. Długotrwałe przechowywanie próbek utrzymywano w zamrażarce o temperaturze -80°C na oddziale patomorfologii.
6. W celu uzyskania dostępu do próbek tkanek pobranych od pacjentów, którzy przeszli już operację nowotworu złośliwego klatki piersiowej, odwołano się do list pacjentów prowadzonych przez współpracujących chirurgów i onkologów radioterapeutów. W ten sposób zidentyfikowano interesujących pacjentów. Ich próbki tkanki nowotworowej można było pobrać z oddziału patologii, jeśli uzyskano zgodę.

Próbki krwi

7. Podczas klinicznie wskazanych pobrań krwi, protokół pozwalał również na umieszczenie dodatkowych dwóch do sześciu probówek krwi w 5 ml zielonej górnej probówce (heparyna), jednej 10 ml fioletowej górnej probówki (DNA linii zarodkowej EDTA) i jednej 10 ml czerwonej górnej probówki (surowica) krwi.
8. Pobrano do sześciu próbek w różnych punktach czasowych z adnotacją o dacie pobrania krwi.
9. Próbki krwi odwirowywano z prędkością 2000 obr./min przez 10 minut.
10. Składniki osocza i surowicy podawano w probówkach kriowialnych w porcjach o objętości 1 ml.
11. W celu pobrania białych krwinek, górne 1-2 ml granicy fazy/frakcji czerwonych krwinek zawieszono ponownie w 1-2 ml pożywki do konserwacji komórek (pożywka MEM EBS + 10% płodowa surowica calowa + 5% DMSO).
12. Wszystkie próbki zamrażano powoli w izopropylowym zamrażalniku w temperaturze 70-80°C przez 16-24 godziny, a następnie przeniesiono do pojemnika do przechowywania w temperaturze od -70°C do -80°C.
13. Wszystkie próbki zostały oznaczone unikalnym identyfikatorem z kodem kreskowym i odpowiednio udokumentowane w formularzu pobrania próbki przez technika laboratoryjnego.

Inne płyny ustrojowe:

14. Płyny, które nie zostały pobrane do użytku klinicznego, mogą być pobierane i przechowywane zgodnie z tym protokołem. Próbki plwociny pobrano i wysłano do cytologii. Próbki plwociny przechowywano na lodzie w temperaturze 4°C podczas przenoszenia.
15. Próbki plwociny przeniesiono następnie do probówek Falcon o pojemności 15 ml i odwirowano z prędkością 1400 obr./min przez 10 minut.
16. Supernatant podawano w porcjach po 4 ml w cyrwiałkach po 6 ml. Cyrovials umieszczano w zamrażarce, na suchym lodzie lub w komorze do zamrażania izopropylowego, a następnie zamrażano w temperaturze od -70°C do -80°C. Po 16-24 godzinach próbki przeniesiono do pojemnika do przechowywania w temperaturze od -70°C do -80°C.
17. Wszystkie próbki zostały oznaczone unikalnym identyfikatorem z kodem kreskowym i odpowiednio udokumentowane w formularzu pobrania próbki przez technika laboratoryjnego.

4. Budowa infrastruktury informatycznej:

1. Po dokonaniu oceny szeregu programów do zarządzania bazami danych wybrano program Microsoft Access jako program do przechowywania danych klinicznych i laboratoryjnych dla projektu bazy danych programu onkologii klatki piersiowej w oparciu o jego funkcjonalność i zdolność do łączenia powiązanych zestawów danych.
2. Powołano zespół klinicystów, badaczy nauk podstawowych, biostatystyka i eksperta w dziedzinie bioinformatyki w celu zidentyfikowania zmiennych interesujących do uchwycenia w bazie danych.
3. Zespół zidentyfikował elementy danych związane z demografią pacjentów, charakterystyką raka, czynnikami epidemiologicznymi i adnotacjami próbek w oparciu o potrzeby badaczy onkologii klatki piersiowej i odnosząc się do standardów określonych przez National Cancer Institute w odniesieniu do Common Data Elements (CDE).
4. Zespół opracował schemat kodowania, aby umożliwić analizę danych do celów badawczych. Tam, gdzie było to możliwe, dane były kodowane za pomocą zmiennych numerycznych, aby zmniejszyć ilość wolnego tekstu wprowadzanego do bazy danych.
5. Interesujące zmienne zostały podzielone na siedem różnych tabel w programie Microsoft Access, aby uchwycić różne aspekty powiązanych informacji.

5. Projektowanie zawartości każdej tabeli:

1. Stworzono siedem podstawowych tabel: 1) Tabela pacjentów, 2) tabela danych próbki, 3) tabela TMA, 4) tabela próbek DNA, 5) tabela konferencji onkologii klatki piersiowej, 6) tabela linii komórkowych oraz 7) tabela C. elegans.
2. Tabela Pacjenci została zaprojektowana jako jedyna tabela w bazie danych, która zawiera klinicznie istotne informacje o pacjentach, ich raku, przebiegu klinicznym, czynnikach ryzyka i wynikach (ryc. 1). Celem tego konkretnego projektu było ograniczenie nadmiarowości w bazie danych.
3. Tabela danych próbek łączy próbki patologiczne z ich źródłami pacjentów. Każdej próbce nadawany jest numer patologii próbki, który jest powiązany z numerem dokumentacji medycznej pacjenta. Od każdej osoby można pobrać wiele próbek, dlatego tabela zawiera również informacje o dacie uzyskania próbki i rodzaju pobranej próbki: guz początkowy, nowotwór nawrotowy lub próbka autopsyjna.
4. Tabela TMA była do tej pory wykorzystywana do zbierania danych dotyczących ekspresji białek dla 63 unikalnych białek. TMA można wykorzystać do scharakteryzowania dystrybucji białek o zróżnicowanej ekspresji w tkance nowotworowej i nienowotworowej za pomocą przeciwciał do lokalizacji białek (ryc. 2). Ekspresja białka jest reprezentowana przez wynik 0, 1, 2 lub 3 w oparciu o wrażenie patologa na temat intensywności i procentu barwienia TMA.
   Gdy mierzy się barwienie procentowe, wynik 0 oznacza brak barwienia, 1 oznacza mniej niż 11% barwienia, 2 oznacza mniej niż 50% barwienia, a 3 oznacza więcej niż 50% barwienia. Podczas pomiaru intensywności przypisywany jest wynik na podstawie względnej ilości barwienia, również w skali od 0 do 3. W niektórych przypadkach preparaty IHC są również skanowane w wysokiej rozdzielczości, a intensywność barwienia jest określana ilościowo za pomocą oprogramowania do obrazowania Automated Cellular Imaging System (ACIS) równolegle z oceną patologa. Jednak w przypadku obu technik wyższy wynik wskazuje na większą ekspresję białka.
   Ponadto w tabeli TMA znajdują się adnotacje dotyczące położenia stempla TMA do wykorzystania w przyszłości. Ponadto baza danych zawiera źródło tkanki (guz, normalna, węzeł chłonny, tkanka przerzutowa), lokalizację w próbce (środek, krawędź), histologię raka oraz numer dokumentacji medycznej, aby połączyć te informacje z tabelą pacjentów.
5. Tabela próbek DNA zawiera listę wszystkich DNA przechowywanych w laboratorium. Próbki DNA są powiązane ze źródłem pochodzenia pacjenta za pomocą numeru jego dokumentacji medycznej. Podstawowe informacje o próbce są przechwytywane w celu opisania źródła próbki, w tym lokalizacji i histologii guza. Celem tej tabeli jest opisanie zmian genetycznych, które zostały scharakteryzowane w próbce za pomocą reakcji łańcuchowej polimerazy, standardowego sekwencjonowania DNA i analiz mutacji.
   Tabela obejmuje również zmienne, takie jak zmiany aminokwasów, zmiany nukleotydów, homozygotyczność, synonimiczność i gen, w którym wystąpiła mutacja. Przykłady genów, które zostały przebadane, obejmują Paxillin, cCbl, EGFR, p53, KRAS, cMet i EphB4. Na liście znajduje się również badacz, który scharakteryzował mutacje.
6. Piątą tabelą w bazie danych jest tabela Chest Oncology Conference. Konferencja onkologiczna klatki piersiowej to cotygodniowe spotkanie onkologów, torakochirurgów, patologów, radiologów, radiologów onkologów i innych członków zespołu klinicznego onkologii klatki piersiowej, którzy spotykają się w celu opracowania skoordynowanych planów leczenia pacjentów. Celem tej tabeli jest sporządzenie listy pacjentów, którzy byli omawiani na konferencji w ramach ich standardu opieki. W tej tabeli znajdują się również informacje dotyczące dostępności próbek patologicznych dla każdego pacjenta.
7. Szósta tabela to tabela Cell Lines (Linie komórek). Jest to niezależna tabela w bazie danych, ponieważ nie jest połączona z żadną inną tabelą. Opisuje linie komórkowe, które zostały wykorzystane w laboratorium do celów badawczych. Tabela obejmuje zmiany aminokwasów, zmiany nukleotydów, homozygotyczność i synonimiczność mutacji oraz lokalizację mutacji w DNA linii komórkowej.
8. Siódmy stół to stół C. elegans i jest to również stół wolnostojący. Poniższa tabela zawiera listę ortologicznych receptorowych kinaz tyrozynowych i zawiera wynik igłowy, który jest miarą podobieństwa do białek ludzkich.

6. Ustanawianie relacji między tabelami:

1. Każda tabela ma przypisany klucz podstawowy, który służy jako unikatowy identyfikator dla każdego wpisu w tabeli. Z definicji unikatowa wartość identyfikatora nie może się powtarzać. Na przykład w tabeli Pacjenci kluczem podstawowym jest numer dokumentacji medycznej, ponieważ numer MRN może oznaczać tylko jedną unikatową osobę. W tabeli Sample Data (Przykładowe dane) kluczem podstawowym jest numer patologii próbki (SP). Ponieważ tabele TMA i DNA Specimens nie zawierały unikalnych identyfikatorów, jako klucz podstawowy ustanowiono fikcyjny numer. Tabele TMA i DNA zostały następnie połączone z innymi tabelami za pomocą odpowiednio numerów MRN i SP. Gwarantuje to, że każdy stempel TMA i próbka DNA są powiązane zarówno z konkretnymi informacjami o próbce, jak i z informacjami klinicznymi od pacjenta dawcy.
2. W programie Microsoft Access poszczególne tabele są łączone za pomocą kluczy podstawowych, dzięki czemu ustanawiane są relacje logiczne (rys. 3). Te relacje są niezbędne do generowania zapytań, w których dane są zbierane z wielu tabel.

7. Zapytanie:

1. Wykonywanie kwerendy dotyczących powiązanych zestawów danych jest stosunkowo proste w programie Microsoft Access. Zapytanie można zaprojektować, wybierając opcję "projekt zapytania" na karcie tworzenia.
2. Tabele zawierające pola zainteresowań są wybierane i wyświetlane.
3. Zmienne z interesujących nas tabel są wybierane i w razie potrzeby mogą być filtrowane na podstawie kryteriów zainteresowania badacza (rys. 4).
4. Następnie można uruchomić zapytanie, w wyniku którego żądane pola zostaną wyświetlone w formularzu arkusza kalkulacyjnego.

8. Eksport danych:

1. Po wygenerowaniu zapytania dane można wyeksportować. Podczas gdy większość badaczy woli, aby dane miały postać arkusza kalkulacyjnego Microsoft Excel, dane można wyeksportować do wielu innych programów za pomocą menu eksportu w zakładce "dane zewnętrzne". Dane mogą być zapisywane przy użyciu odpowiedniego rozszerzenia pliku.
2. Gdy dane są eksportowane do celów statystycznych, w eksporcie uwzględniany jest określony zestaw zmiennych, dzięki czemu można przeprowadzić kompleksową analizę w celu kontrolowania współzmiennych.

9. Importowanie danych:

1. Importowanie danych wymaga idealnego dopasowania między formatem zaimportowanych danych a formatem tabeli w programie Access. Interesujące zmienne w tabeli, która ma zostać zaimportowana, muszą mieć takie same nazwy jak tabela programu Access. Pisownia musi być dokładna i nie może być spacji, w których nie ma spacji w tabeli programu Access.
2. Po osiągnięciu symetrii między dwiema tabelami użytkownik może zaimportować dane do programu Access za pomocą kwerendy dołączającej lub aktualizującej. Kwerenda dołączająca umożliwia użytkownikowi dodawanie nowych wierszy danych do bazy danych programu Access. Na przykład, jeśli dostępne są informacje o pacjentach, którzy nie byli jeszcze w bazie danych, można użyć kwerendy dołączającej w celu dodania tych pacjentów. Jeśli jednak dostępne są nowe dane dotyczące pacjentów lub próbek, które wymagają modyfikacji, należy wykonać kwerendę aktualizującą dla tych wpisów.

10. Aktualizacja bazy danych:

1. Członkowie projektu bazy danych mają określone role w zapewnianiu, że baza danych jest aktualna. Jeden pełnoetatowy pracownik ma za zadanie regularne wypełnianie i aktualizowanie bazy danych informacjami klinicznymi na podstawie pacjentów, którzy uzyskali zgodę w klinice.
2. Inny pełnoetatowy pracownik, pełniący funkcję kierownika danych, jest odpowiedzialny za pozyskiwanie danych laboratoryjnych w miarę ich dostępności i wprowadzanie tych informacji do bazy danych za pomocą zapytania aktualizującego lub dołączającego.
3. Asystenci naukowi, którzy są przeszkoleni w zakresie protokołu, są odpowiedzialni za systematyczną aktualizację bazy danych co sześć miesięcy w celu uzyskania najnowszych dostępnych danych. Jest to szczególnie ważne w przypadku pól takich jak status życiowy i data ostatniego kontaktu, ponieważ pola te mają bezpośredni wpływ na analizy przeżycia wykonywane na danych.

11. Dostęp do bazy danych:

1. Baza danych jest dostępna tylko dla osób, które są zgodne z HIPAA i są objęte protokołem IRB. Dostęp jest dodatkowo ograniczony do osób przeszkolonych w zakresie programu Microsoft Access, które mają bezpośrednią odpowiedzialność za aktualizowanie lub modyfikowanie danych.
2. Naukowcy, którzy wnieśli wkład w tworzenie bazy danych, mogą zwrócić się o informacje z bazy danych do administratora danych, ale sami nie mają bezpośredniego dostępu do danych.
3. Menedżer danych dostarcza badaczom wnioskującym informacje zanonimizowane, usuwając zmienne, takie jak numer dokumentacji medycznej i imię i nazwisko pacjenta podczas generowania zapytania eksportującego.

12. Reprezentatywne wyniki:

Badacz może być zainteresowany poznaniem klinicznego znaczenia nadekspresji białka Paxillin w niedrobnokomórkowym raku płuc. Ponieważ badacz ten wygenerował wiele danych TMA w bazie danych Paxillin, menedżer danych zatwierdza wniosek badacza o dostęp do informacji klinicznych w celu skorelowania z danymi laboratoryjnymi. Menedżer danych uruchamia zapytanie, w którym łączy zarówno tabelę pacjentów, jak i tabelę TMA. Interesujące zmienne z tabeli Pacjenci obejmują datę urodzenia pacjenta, jego rasę, histologię nowotworu, stadium raka, datę diagnozy, stan życiowy, datę zgonu i datę ostatniego kontaktu. Korzystając z tych zmiennych, takich jak wiek w momencie diagnozy i stadium, można uwzględnić i kontrolować ważne czynniki zakłócające. Z tabeli TMA można ustalić ważne informacje, takie jak typ guza i ekspresja białka.

Ponieważ obie tabele są połączone za pomocą numeru dokumentacji medycznej, informacje o pacjentach od osób, których nowotwory były badane pod kątem ekspresji Paxillin, są zawarte w danych wyjściowych. Wyniki można filtrować tak, aby wyświetlali tylko pacjenci z niedrobnokomórkowym rakiem płuca. Wyniki mogą być dalej dopracowywane w zależności od potrzeb badacza.

Te wyniki mogą być eksportowane do analizy danych pierwotnych przez biostatystyka, a następnie udostępniane badaczowi.

Strona główna projektu: Szablon bazy danych Access i standardowa procedura operacyjna są dostępne pod adresem:
http://www.ibridgenetwork.org/uctech/salgia-thoracic-oncology-access-template

Licencja: Dostępna bezpłatnie do użytku akademickiego i non-profit.

Ograniczenia dla osób niebędących nauczycielami akademickimi: Użytkownicy komercyjni wymagają licencji. W przypadku pytań dotyczących zastosowań komercyjnych prosimy o kontakt z Biurem Technologii i Własności Intelektualnej Uniwersytetu w Chicago (UChicagoTech) pod numerem (773) 702-1692 lub www.tech.uchicago.edu

Rysunek 1. Zrzut ekranu bazy danych programu Access przedstawiający sekcję tabeli pacjentów.

Rysunek 2. Schemat przedstawiający mikromacierz tkankową (TMA)²

Rysunek 3. Zrzut ekranu przedstawiający relacje ustanowione między tabelami w bazie danych programu Access. Tabele są łączone za pomocą kluczy podstawowych.

Rysunek 4. Przykładowe zapytanie dotyczące mutacji Paxillin, wyników TMA i zmiennych klinicznych.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Wirówka	Eppendorf
Stożkowa probówka wirówkowa	Falcon BD	518-PG
Minimum niezbędne podłoże orzeł (MEM)	Sigma-Aldrich	M4655-500ML
Surowica cielęca płodu	Cellgro	MTT35011CV
dimetylosulfotlenek (DMSO)	AB03091		Bioanalityczny
BD Probówki z serum próżniowego	Fisher Scientific	367815