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Recognition of Metabolic Patterns in Kidney
Transplanted patients by
Chemometrics Elaboration of NMR Profile Data
Dott. Marco CalderisiCentro NMRDipartimento di Chimica, Università di Siena
My tutorsDott. Antonio Vivi
Prof. Marina Cocchi
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
UNIVERSITA’ DEL PIEMONTE ORIENTALE “A. AVOGADRO”
PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
NMR CentreBruker DRX Avance 600MHz
Bruker DRX Avance 500MHz
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
UNIVERSITA’ DEL PIEMONTE ORIENTALE “A. AVOGADRO”
PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
Projects
Recognition of metabolic patterns in kidney transplanted patients
Autism: identification od metabolic pattern to find diagnostic specific subgroups
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
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PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
Projects
Recognition of metabolic patterns in kidney transplanted patients
Autism: identification od metabolic pattern to find diagnostic specific subgroups
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
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PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
Goal of the work
Identification of the dynamic biopatterns related to the recovery progress of kidney transplant patients.
Hypotesis:The graft kidney recovery can be considered a discrete some-stages progress
Metabolic profiles show an evolution with respect to the initial graft recovery period
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
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PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
Kidney transplantation
50 years after the first successful kidney transplantation there are still many obstacles:
immunological rejection
ischemia /reperfusion injury
damages from drugs
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
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Centro NMR, Università di Siena
Index
NMR Spectra
Data pretreatment
Spectras alignment
Scaling
First experimental step
NMR data analysis
Clinical data analysis
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
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PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
Index
NMR Spectra
Data pretreatment
Spectras alignment
Scaling
First experimental step
NMR data analysis
Clinical data analysis
Second experimental step
NMR data analysis
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
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Centro NMR, Università di Siena
NMR Spectra
Urine samplepH=2,532768 points
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
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PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
NMR spectra pretreatment
1) “light” binning (32768 --> 16384)
2) baseline correction (weighted least square - II order polynomial)
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
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PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
NMR spectra pretreatment
1) “light” binning (32768 --> 16384)
2) baseline correction (weighted least square - II order polynomial)
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
UNIVERSITA’ DEL PIEMONTE ORIENTALE “A. AVOGADRO”
PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
Spectra alignment
1. “Hand” alignment (TSP zero shift)
2. By means of a specific algorithm
COW
ICOSHIFT (work in progress)
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
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PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
Original signal (TSP)
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
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Spectra alignment
Original signal (TSP)
Hand (TSP zero shift)
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Centro NMR, Università di Siena
Spectra alignment
Original signal (TSP)
Hand (TSP zero shift) Icoshift
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Spectra alignment
Original signal (TSP)
Hand (TSP zero shift) Icoshift COWWorkshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
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PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
Spectra alignment
Original signal (Creatinine)
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Centro NMR, Università di Siena
Allineamento
Original signal (Creatinine)
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PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
Allineamento
hand (TSP zero shift)
Original signal (Creatinine)
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
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PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
Allineamento
Icoshifthand (TSP zero shift)
Original signal (Creatinine)
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
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PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
Allineamento
COWIcoshifthand (TSP zero shift)
Exclusion of uninteresting regionsExclusion of water region (4.79-5.21 δ ppm)
and spectra extreme regions (from 16k to 12k)
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
UNIVERSITA’ DEL PIEMONTE ORIENTALE “A. AVOGADRO”
PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
Exclusion of uninteresting regionsExclusion of water region (4.79-5.21 δ ppm)
and spectra extreme regions (from 16k to 12k)
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
UNIVERSITA’ DEL PIEMONTE ORIENTALE “A. AVOGADRO”
PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
Normalization
Normalization (unit area, unit lenght, probabilistic quotient normalization* on raw data or normalized data)
*Anal. Chem. 2006, 78, 4281-4290
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
UNIVERSITA’ DEL PIEMONTE ORIENTALE “A. AVOGADRO”
PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
Normalization
Normalization (unit area, unit lenght, probabilistic quotient normalization* on raw data or normalized data)
*Anal. Chem. 2006, 78, 4281-4290
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
UNIVERSITA’ DEL PIEMONTE ORIENTALE “A. AVOGADRO”
PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
Normalization
Normalization (unit area, unit lenght, probabilistic quotient normalization* on raw data or normalized data)
*Anal. Chem. 2006, 78, 4281-4290
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
UNIVERSITA’ DEL PIEMONTE ORIENTALE “A. AVOGADRO”
PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
Scaling
Centering, scaling, and transformations: improving the biological information content of metabolomics dataRobert A van den Berg, Huub C J Hoefsloot, Johan A Westerhuis, Age KSmilde and Mariët Jvan der WerfBMC Genomics 2006, 7, 1-42
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
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PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
Scaling
Centering, scaling, and transformations: improving the biological information content of metabolomics dataRobert A van den Berg, Huub C J Hoefsloot, Johan A Westerhuis, Age KSmilde and Mariët Jvan der WerfBMC Genomics 2006, 7, 1-42
Range scaling (modified)
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Autoscaling Range scaling
Pareto scaling Range scaling (modified)
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
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Scaling
Sviluppo del lavoroStep 1:18 patients were sampled during a recovery period of 2 weeks.Lack of an underlying experimental design (missing data and uneven sampling). Clinical data analysis.
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
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PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
Sviluppo del lavoroStep 1:18 patients were sampled during a recovery period of 2 weeks.Lack of an underlying experimental design (missing data and uneven sampling). Clinical data analysis.
Step 2:27 patients were sampled all along the hospital recovery period (from 5 to 40 days) and during the first follow up. Systematic sampling.
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
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Centro NMR, Università di Siena
Step 118 patients were sampled during a recovery period of 2 weeks
Lack of an underlying experimental design (missing data and uneven sampling)
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Centro NMR, Università di Siena
Elaboration:
1. Unsupervised analysis (PCA) on each single patient
2. Supervised analysis (OPLS-DA) on each single patient
3. PCA on predictive OPLS-DA loadings
[All spectra normalized to unit area and Pareto scaled]
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Centro NMR, Università di Siena
Step 1
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Centro NMR, Università di Siena
Step 1
Positive correlation to successful recovery
Negative correlation to successful recovery
Anomalie
Patients 1317 and 1324 do not show a similar effect as the others
Patient 1325 indicates only one stage
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Centro NMR, Università di Siena
Step 1
diuresis (volume of urine produced daily)
dialysis (number of dialysis to which the patient undergo)
therapy (seven different type of drugs and their amount given to each patient)
glucose (record of the value of glucose, monitored based on a non-systematic plan)
Clinical data analysis
Goal: visualize hidden information from clinical data
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Centro NMR, Università di Siena
Step 1
Conclusion
From clinical data analysis, results that patients 1317, 1324,
1325 were subjected to an high number of dialysis, six,
compared to the others
Patient 1325, which shows no trajectory at all in the model,
is the one who have a anomalous values of glucose during the
first days after the transplantation
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Centro NMR, Università di Siena
Step 1
27 patients were sampled all along the hospital recovery period (from 5 to 40 days) and during the first follow up
systematic sampling (one sample a day) [clinical data available on day 0, 1, 2, 3, 4, 7, 14, 21, 30, 60, ...]
so far 15 patients (170 samples) have been analyzed
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Step 2
Elaboration:
Unsupervised analysis (PCA) on the whole dataset
Supervised analysis (PLS-DA) on the whole dataset
[All spectra normalized to unit area and centered (or Pareto scaled or
robust range scaled)]
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Step 2
Unsupervised analysis (PCA), first 3 patient (Pareto scaling)
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Centro NMR, Università di Siena
Step 2
Unsupervised analysis (PCA), first 3 patient (Pareto scaling)
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
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Centro NMR, Università di Siena
Step 2
Unsupervised analysis (PCA), first 3 patient (Pareto scaling)
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
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PhD Student Marco Calderisi
Centro NMR, Università di Siena
Step 2
Unsupervised analysis (PCA), first 3 patient (Pareto scaling)
Workshop di Chemiometria 2010, 4-5 Febbraio
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Centro NMR, Università di Siena
Step 2
Unsupervised analysis (PCA), first 3 patient (Pareto scaling)
Post-operation
Pre-discharge
Follow-up
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Step 2
Unsupervised analysis (PCA), 6 patient (Pareto scaling)
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Step 2
Unsupervised analysis (PCA), 6 patient (Pareto scaling)
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Centro NMR, Università di Siena
Step 2
Unsupervised analysis (PCA), 6 patient (Pareto scaling)
Post-operation
Pre-discharge
Follow-up
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Centro NMR, Università di Siena
Step 2
Unsupervised analysis (PCA), 6 patient (Pareto scaling)
3318_12
3317_7
3317_8 Post-operation
Pre-discharge
Follow-up
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Step 2
Unsupervised analysis (PCA), 15 pazienti (Pareto scaling)
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Centro NMR, Università di Siena
Step 2
Post-operation
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Centro NMR, Università di Siena
VIP
scor
esStep 2
Pre-discharge
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Centro NMR, Università di Siena
VIP
scor
esStep 2
Follow-up
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Centro NMR, Università di Siena
VIP
scor
esStep 2
Conclusion
NMR spectra has biochemical (metabolites) and therapy information
The presented model describes concisevely the metabolic covarying biopatterns related to the recovery progress of kidney transplant patients
NMR spectra plus chemometric elaboration could be used to identify patients that do not recover as they are supposed to
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Further study on signals alignment and signals interpretation
Analyze more patients in order to verify, validate and improve the results so far achieved
Single patient trajectory study
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Things to do
Alignment
Hand Icoshift
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Pareto scaling
Alignment
Manuale Icoshift
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Pareto scaling
Individual trajectory and …
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Pareto scaling
…improve class boundaries
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Class 1 or 2?
Pareto scaling
Signal identification
Class 1 : post-intervention Classe 3- follow-up
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δ ppm δ ppm
Pareto scaling
Thank you for your attention!!!
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