610 Medizin und Gesundheit
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Graph4Med: a web application and a graph database for visualizing and analyzing medical databases
(2022)
Background: Medical databases normally contain large amounts of data in a variety of forms. Although they grant significant insights into diagnosis and treatment, implementing data exploration into current medical databases is challenging since these are often based on a relational schema and cannot be used to easily extract information for cohort analysis and visualization. As a consequence, valuable information regarding cohort distribution or patient similarity may be missed. With the rapid advancement of biomedical technologies, new forms of data from methods such as Next Generation Sequencing (NGS) or chromosome microarray (array CGH) are constantly being generated; hence it can be expected that the amount and complexity of medical data will rise and bring relational database systems to a limit.
Description: We present Graph4Med, a web application that relies on a graph database obtained by transforming a relational database. Graph4Med provides a straightforward visualization and analysis of a selected patient cohort. Our use case is a database of pediatric Acute Lymphoblastic Leukemia (ALL). Along routine patients’ health records it also contains results of latest technologies such as NGS data. We developed a suitable graph data schema to convert the relational data into a graph data structure and store it in Neo4j. We used NeoDash to build a dashboard for querying and displaying patients’ cohort analysis. This way our tool (1) quickly displays the overview of patients’ cohort information such as distributions of gender, age, mutations (fusions), diagnosis; (2) provides mutation (fusion) based similarity search and display in a maneuverable graph; (3) generates an interactive graph of any selected patient and facilitates the identification of interesting patterns among patients.
Conclusion: We demonstrate the feasibility and advantages of a graph database for storing and querying medical databases. Our dashboard allows a fast and interactive analysis and visualization of complex medical data. It is especially useful for patients similarity search based on mutations (fusions), of which vast amounts of data have been generated by NGS in recent years. It can discover relationships and patterns in patients cohorts that are normally hard to grasp. Expanding Graph4Med to more medical databases will bring novel insights into diagnostic and research.
The effect of race/ethnicity on cancer-specific mortality after salvage radical prostatectomy
(2022)
Background: To test the effect of race/ethnicity on cancer-specific mortality (CSM) after salvage radical prostatectomy (SRP).
Material and methods: We relied on the Surveillance, Epidemiology and End Results database (SEER, 2004–2016) to identify SRP patients of all race/ethnicity background. Univariate and multivariate Cox regression models addressed CSM according to race/ethnicity.
Results: Of 426 assessable SRP patients, Caucasians accounted for 299 (69.9%) vs. 68 (15.9%) African-Americans vs. 39 (9.1%) Hispanics vs. 20 (4.7%) Asians. At diagnosis, African-Americans (64 years) were younger than Caucasians (66 years), but not younger than Hispanics (66 years) and Asians (67 years). PSA at diagnosis was significantly higher in African-Americans (13.2 ng/ml), Hispanics (13.0 ng/ml), and Asians (12.2 ng/ml) than in Caucasians (7.8 ng/ml, p = 0.01). Moreover, the distribution of African-Americans (10.3%–36.6%) and Hispanics (0%–15.8%) varied according to SEER region. The 10-year CSM was 46.5% in African-Americans vs. 22.4% in Caucasians vs. 15.4% in Hispanics vs. 15.0% in Asians. After multivariate adjustment (for age, clinical T stage, lymph node dissection status), African-American race/ethnicity was an independent predictor of higher CSM (HR: 2.2, p < 0.01), but not Hispanic or Asian race/ethnicity. The independent effect of African-American race/ethnicity did not persist after further adjustment for PSA.
Conclusion: African-Americans treated with SRP are at higher risk of CSM than other racial/ethnic groups and also exhibited the highest baseline PSA. The independent effect of African-American race/ethnicity on higher CSM no longer applies after PSA adjustment since higher PSA represents a distinguishing feature in African-American patients.
Angesichts der Bedrohung durch den Klimawandel sind Maßnahmen zur Reduktion von Treibhausgasemissionen dringend notwendig. Obwohl auf den Gesundheitssektor 5 bis 10 % der nationalen Treibhausgasemissionen entfallen, spielt das Thema Nachhaltigkeit in deutschen Kliniken bisher nur eine untergeordnete Rolle. Studien der letzten Jahre haben gezeigt, dass die Nutzung von Mehrwegartikeln gegenüber der Nutzung von Einwegartikeln in der Anästhesiologie einen Vorteil in Bezug auf die CO2-Emissionen bieten kann. Gleichzeitig stehen Kliniken vor der Herausforderung, kosteneffizient zu handeln. In der vorliegenden Promotionsarbeit werden deshalb die CO2-Emissionen sowie die Kosten von Einweg-Beatmungsschlauchsystemen, Einweg-Beatmungsmasken und Einweg-Laryngoskopspateln im Zentral-OP des Universitätsklinikums Frankfurt pro Nutzung ermittelt und diese mit den Kosten sowie den CO2-Emissionen von entsprechenden Mehrweg-Alternativen pro Nutzung verglichen. Daraus soll eine Handlungsempfehlung für die künftige Verwendung von Mehrwegmaterial oder Einwegmaterial abgeleitet und ein Beitrag zur Nachhaltigkeit in der Anästhesiologie geleistet werden.
Methodisch wurde eine deskriptive Untersuchung umgesetzt. Die Daten wurden anhand von Informationen, die von den Produktherstellern, der Host Energie GmbH, der Abteilung Einkauf und den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Materialaufbereitung des Universitätsklinikums Frankfurt zur Verfügung gestellt wurden sowie durch eigene Erhebung gesammelt. Die Kosten pro Nutzung wurden anhand der realen Bezugspreise aus dem Jahr 2022 für die Einwegmaterialien bzw. der Angebote der Anbieter für die Mehrwegprodukte errechnet. Die Kosten der Entsorgung wurden gewichtsbezogen addiert. Für die Mehrwegartikel wurden zudem die Kosten der Aufbereitung berücksichtigt. Für die Kalkulationen der CO2-Emissionen wurden die Konversionsfaktoren des DEFRA aus Großbritannien verwendet, die bei bekanntem Produktgewicht eine näherungsweise Bestimmung der Treibhausgasemissionen der Materialproduktion, der Entsorgung und der Aufbereitung erlauben. Patientendaten wurden nicht verwendet, so dass weder ein Ethikvotum noch ein Datenschutzvotum erforderlich waren.
Die Ergebnisse zeigen, dass alle untersuchten Mehrwegartikel pro Nutzung günstiger sind als die äquivalenten Einwegartikel, wobei der Preisunterschied bei den Laryngoskopspateln am größten ist. Diese kosten als Einwegartikel 2,66 € pro Nutzung, die Mehrweg-Alternative 0,12 € pro Nutzung. Gleichzeitig sind die Treibhausgasemissionen pro Nutzung für alle untersuchten Mehrwegartikel niedriger als für die entsprechenden Einwegartikel. Der Unterschied ist hier ebenfalls bei den Laryngoskopspateln am größten. Ein Einweg-Laryngoskopspatel der Größe 4 generiert pro Nutzung 0,228 kg CO2-Äquivalent, wohingegen die Mehrweg-Alternative nur 0,093 kg CO2-Äquivalent verursacht.
Im Fazit ergibt sich dadurch, dass die Verwendung von Mehrweg-Beatmungsschlauchsystemen, Mehrweg-Beatmungsmasken und Mehrweg-Laryngoskopspateln für das Universitätsklinikum Frankfurt einen sowohl ökonomischen als auch ökologischen Vorteil gegenüber der Verwendung der Einwegartikel bietet. Die Umstellung zu Mehrwegartikeln in der Anästhesiologie hat somit nicht nur das Potenzial Kosten einzusparen, sondern auch den CO2-Fußabdruck im Gesundheitssektor zu senken.
A broad range of neuropsychiatric disorders are associated with alterations in macroscale brain circuitry and connectivity. Identifying consistent brain patterns underlying these disorders by means of structural and functional MRI has proven challenging, partly due to the vast number of tests required to examine the entire brain, which can lead to an increase in missed findings. In this study, we propose polyconnectomic score (PCS) as a metric designed to quantify the presence of disease-related brain connectivity signatures in connectomes. PCS summarizes evidence of brain patterns related to a phenotype across the entire landscape of brain connectivity into a subject-level score. We evaluated PCS across four brain disorders (autism spectrum disorder, schizophrenia, attention deficit hyperactivity disorder, and Alzheimer’s disease) and 14 studies encompassing ∼35,000 individuals. Our findings consistently show that patients exhibit significantly higher PCS compared to controls, with effect sizes that go beyond other single MRI metrics ([min, max]: Cohen’s d = [0.30, 0.87], AUC = [0.58, 0.73]). We further demonstrate that PCS serves as a valuable tool for stratifying individuals, for example within the psychosis continuum, distinguishing patients with schizophrenia from their first-degree relatives (d = 0.42, p = 4 x 10−3, FDR-corrected), and first-degree relatives from healthy controls (d = 0.34, p = 0.034, FDR-corrected). We also show that PCS is useful to uncover associations between brain connectivity patterns related to neuropsychiatric disorders and mental health, psychosocial factors, and body measurements.
Purpose: To evaluate intermediate and long-term visual outcomes and safety of a phakic intraocular posterior chamber lens with a central hole (ICL V4c) for myopic eyes.
Methods: Retrospective, consecutive case study of patients that uneventfully received a ICL V4c for myopia correction, with a 5-year postoperative follow-up. Department of Ophthalmology, Goethe University Frankfurt, Germany.
Results: From 241 eyes that underwent ICL implantation, we included 45 eyes with a mean age at surgery of 33 years ± 6 (18–48 years), with a 5 years follow-up. CDVA improved from 0.05logMAR ± 0.15 CDVA preoperatively to − 0.00 ± 0,07 at 5 years and did not change significantly from 3 to 5 years’ time (p = 0.266). The mean spherical equivalent (SE) improved from -10.13D ± 3.39 to − 0.45D ± 0.69. The change in endothelial cell count showed a mean decrease of 1.9% per year throughout the follow-up. Safety and efficacy index were 1.16 and 0.78, respectively. Cataract formation was seen in 2 of 241 eyes (0.8%), but in none of the 45 eyes that finished the 5-year follow-up.
Conclusions: Our data show a good intermediate and long-term stability, efficiency, and safety of ICL V4c phakic lenses in myopic eyes comparable to other known literature.
Hidradenitis suppurativa ist eine multifaktoriell-bedingte chronisch entzündliche Hauterkrankung, die durch eine Okklusion der Talgdrüseneinheit des Haarfollikels entsteht. Aus der anschließend mit Entzündung einhergehenden Ruptur des Haarfollikels entwickeln sich entzündliche Knoten, Abszesse und Fistelgänge. (39–41) In der weiteren Progression der Erkrankung kommt es zur Störung der Hautarchitektur und fibrotischen Narbenbildungen. (52) Durch Untersuchungen des entzündlichen Infiltrates konnte bereits die Beteiligung einer Reihe von Immunzellen und Entzündungsmediatoren identifiziert werden. Hierzu zählen Makrophagen, neutrophile Granulozyten, Dendritische Zellen, Lymphozyten, IL-1β sowie TNF-α. (41,45,46,51,53) Da die genaue Pathophysiologie der Hidradenitis suppurativa bislang unzureichend aufgeklärt ist, gibt es aktuell keine kausale Therapiemöglichkeit für die Betroffenen. (52) Die Wahl der Therapie wird anhand der Bewertung des Schweregrades nach Hurley getroffen. (25) Obwohl meisten Patientinnen und Patienten von der milden bis mittelschweren Form der Hidradenitis suppurativa (Hurley I und Hurley II) betroffen sind (98), werden die meisten Arzneimittel für die Behandlung von Hurley II und Hurley III von den Leitlinien empfohlen. Zu den empfohlenen Medikamenten gehören u. a. Rifampicin, meist in Kombination mit Clindamycin, sowie der TNF-α-Inhibitor Adalimumab (18,85), welche effektiv und systemisch wirken. Durch die entstehenden Nebenwirkungen wäre die Behandlung der milden bis mittelschweren Hidradenitis suppurativa mit diesen Medikamenten allerdings unverhältnismäßig. Um jedoch den im Verlauf der Krankheit entstehenden Hautdestruktionen vorbeugen zu können, müssten die Medikamente möglichst früh eingesetzt werden. (228) Vor diesem Hintergrund sollte in Kooperation mit dem Institut für Pharmazeutische Technologie der Goethe Universität Frankfurt eine Rifampicin-Nanoformulierung zur Behandlung milder bis mittelschwerer Hidradenitis suppurativa entwickelt und im Labor der dermatologischen Klinik präklinisch validiert werden.
Daher wurde im ersten Teil der vorliegenden Arbeit ein Epidermismodell aus der Haut betroffener Patientinnen und Patienten generiert, um die Rifampicin-Nanoformulierung validieren zu können. Dieses wies eine mehrschichtige Epidermis mit allen wichtigen Differenzierungsmarkern ähnlich der läsionalen Hidradenitis suppurativa auf und schüttete die proinflammatorischen Zytokine IL-1β und TNF-α aus. Als weiteres Modell wurden ex vivo Explantate aus läsionaler Hidradenitis suppurativa Haut etabliert. Für die Bewertung der Validität der Explantatkulturen wurde die Morphologie und Integrität der Epidermis mittels Hämatoxylin-Eosin sowie der Proliferationsmarker Ki-67 näher beleuchtet. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden Untersuchungen für die Festlegung eines Konzentrationsbereichs, unter Verwendung von Rifampicin in DMSO gelöst als in vitro Behandlung, durchgeführt.
Hierbei wurde gezeigt, dass die eingesetzten Konzentrationen keine negativen Effekte bezüglich Proliferationsfähigkeit der Keratinozyten oder Apoptoseinduktion ausüben. Die Behandlung von nicht entzündlichen Epidermismodellen sowie Explantatkulturen mit der Rifampicin-Nanoformulierung mit einem Wirkstoffgehalt von 0,3 % führte ebenfalls zu keinen Proliferationsverlusten, induzierte keine Apoptose oder Zytotoxizität und hatte keinen Einfluss auf die Differenzierung der Keratinozyten. Im letzten Teil der Arbeit sollte die Wirksamkeit der Rifampicin-Nanoformulierung näher beleuchtet werden. Als Antibiotikum inhibiert Rifampicin die DNA-abhängige RNA-Polymerase von Bakterien (107,108), weshalb es bei der Behandlung der Tuberkulose eingesetzt wird. (111–113) Die Hidradenitis suppurativa ist aber primär keine Infektionskrankheit, sondern eine von Bakterien getriggerte, entzündliche Erkrankung. (19,52,82) Aus diesem Grund ist der positive Effekt der systemischen Rifampicintherapie vermutlich vielmehr auf eine antiphlogistische Wirkung zurückzuführen. Diese Überlegung wird durch mehrere Artikel gestützt, die zeigten, dass Rifampicin die Ausschüttung von IL-1β und TNF-α in unterschiedlichen in vitro und in vivo Modellen hemmt. (89–91,96,97) Die anschließenden Untersuchungen zur Wirksamkeit einer in vitro Rifampicinbehandlung bestätigten die antientzündliche Wirkung in den Explantatkulturen indem es die Sekretion von IL-1β, IL-6, IL-8, IL-10 und TNF-α verminderte. Ebenso senkte die Rifampicin-Nanoformulierung die Ausschüttung von IL-1β in den ex vivo Explantaten, was somit die in der klinischen Praxis beobachteten antiinflammatorischen Wirkung von Rifampicin belegt. Des Weiteren stellte sich in Untersuchungen heraus, dass Rifampicin zu einer reduzierten Zahl CD4(+)-T-Zellen führte, aber auf die CD3(+)-T-Zellen keine Auswirkungen hatte, was auf eine Veränderung des T-Zell Phänotyps hinweist.
Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse zur Validierung der Rifampicin-Nanoformulierung, spricht nichts gegen die Testung der Rifampicin-Nanoformulierung in einem individuellen Heilversuch am Menschen.
Der Natrium-abhängige Kaliumkanal Slack (KNa1.1, Slo2.2, KCNT1) nimmt eine Schlüsselrolle in der Regulation neuronaler Erregbarkeit ein, indem er die Ausbildung und Feuerungsfrequenz von Aktionspotentialen kontrolliert. Sowohl in Mäusen als auch in Menschen wird Slack besonders hoch in nicht-peptidergen C-Faser-Neuronen exprimiert. Wissenschaftliche Erkenntnisse der letzten Jahre konnten die Beteiligung von Slack-Kanälen in der Signalverarbeitung neuropathischer Schmerzen, aber auch in verschiedenen Arten von Pruritus, feststellen. Dabei zeigen Slack-defiziente Mäuse ein verstärktes mechanisches Schmerzverhalten nach einer peripheren Nervenverletzung und ein erhöhtes Kratzverhalten in akuten Juckreiz-Modellen. Das als Slack-Aktivator identifizierte trizyklische Neuroleptikum Loxapin zeigt sowohl analgetische als auch antipruritische Effekte in Mäusen, jedoch ist sein klinischer Einsatz auf Grund schwerwiegender antipsychotischer Nebenwirkungen limitiert. Basierend auf Loxapins Leitstruktur wurden daher in dieser Arbeit neue Slack-Aktivatoren mit einem verbesserten pharmakologischen Profil designed und ihr Potential für die Therapie von Schmerzen sowie akutem und chronischem Pruritus in vivo untersucht.
Die Appendizitis stellt mit einer Inzidenz von 115 pro 100000 Einwohnern in Deutschland eine der häufigsten Ursachen für ein akutes Abdomen dar. Bakterielle Infektionen sind ein wesentlicher Faktor für die postoperative Morbidität nach Appendektomie.
Ziel dieser prospektiven Studie war es, das Keimspektrum und insbesondere die Prävalenz resistenter Keime bei der akuten Appendizitis zu bestimmen und die Auswirkungen resistenter Keime auf das Auftreten infektiöser Komplikationen zu analysieren. Alle erwachsenen Patient*innen mit akuter Appendizitis, die zwischen April 2022 und Juli 2023 am Universitätsklinikum Frankfurt operativ behandelt wurden, wurden prospektiv eingeschlossen. Das Keimspektrum der Appendix und die Häufigkeit von MRE in Rektalabstrichen wurden analysiert. Die klinischen Daten wurden extrahiert, um die Korrelation des Keimspektrums mit dem Auftreten von postoperativen Komplikationen, Dauer und Art der Antibiotikatherapie und dem postoperativen Verlauf zu evaluieren. 30 Tage nach der Operation wurde ein Follow-up durchgeführt. Insgesamt wurden 105 Patient*innen in die Studie eingeschlossen.
In den Appendixabstrichen gelang ein Erregernachweis bei 67,6 % aller Fälle. Hierbei betrug die Prävalenz von Keimen mit Antibiotikaresistenz 43,8 %, Multipler-Antibiotikaresistenz (MAR) 27,6 % und bei 5,7 % der Fälle gelang ein MRE-Nachweis nach CDC im Appendixabstrich. Beim MRE-Screening konnten im Rektalabstrich bei 11,4 % der Patient*innen ein MRE nachgewiesen werden. In vier Fällen zeigte sich eine Übereinstimmung zwischen rektalen und appendikulären Abstrich, somit betrug die Sensitivität des MRE-Screenings für einen Nachweis multiresistenter Keime in der Appendix lediglich 33,3 % bei einer Spezifität von 86,7 %. In einer univariaten Analyse konnte das Vorliegen eines Diabetes mellitus als Risikofaktor für das Auftreten von Keimen mit Cefuroxim- Resistenz, Multipler-Antibiotikaresistenz (MAR) und MRE identifiziert werden.
Insgesamt erhielten 47,6 % aller Patient*innen postoperativ eine Antibiotikatherapie, von denen erfolgte bei 46 % eine Umstellung der empirischen Antibiose auf eine antibiogramm-gerechte Therapie nach Erhalt des mikrobiologischen Befundes. Insbesondere Patient*innen mit komplizierter Appendizitis erhielten postoperativ eine Antibiotikatherapie, wobei 28 % eine Antibiotikaeskalation benötigten.
Patient*innen, deren Appendixabstriche eine Resistenz gegen maximal ein Antibiotikum aufwiesen, wurden als nicht multiple Resistenz (Nicht-MAR) definiert und mit Patient*innen verglichen, deren Keime mit multipler Antibiotikaresistenz (MAR) waren. Die MAR-Gruppe zeigte im Vergleich zur Nicht-MAR-Gruppe eine höhere Inzidenz postoperativer Komplikationen, insbesondere eine erhöhte Inzidenz von Clavien-Dindo Grad 3 Komplikationen sowie von tiefen postoperativen Wundinfektionen (CDC Grad A3). Weiterhin benötigten Patient*innen der MAR-Gruppe häufiger eine postoperative Antibiotikatherapie und es erfolgte häufiger eine Eskalation der antibiotischen Therapie. Dies ging auch mit einem signifikant verlängerten Krankenhausaufenthalt einher.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass eine bakterielle Infektion mit Multipler Antibiotikaresistenz bei der akuten Appendizitis häufig auftritt und die Morbidität nach Appendektomie beeinflusst. Die mikrobiologische Untersuchung mittels Appendixabstrich bei operativ behandelten Fällen von akuter komplizierter Appendizitis, die eine postoperative Antibiotikatherapie erfordern, könnte somit eine gezielte und kürzere Antibiotikatherapie ermöglichen. Dies könnte dazu beitragen, längere Krankenhausaufenthalte zu vermeiden, den unnötigen Einsatz unwirksamer Antibiotika zu reduzieren und die Kosten im Gesundheitswesen zu senken.
Polygene Risikoscores (PRS) integrieren zahlreiche Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNP) von meist geringer Effektstärke, um Auskunft über das Erkrankungsrisiko bestimmter Krankheiten zu geben. In dieser Arbeit wurde der PRS zur genetisch generalisierten Epilepsie (GGE) von Leu et al. aus dem Jahr 2019 untersucht, um festzustellen, ob über das Erkrankungsrisiko hinaus noch Korrelationen mit weiteren phänotypischen Eigenschaften von Patienten bestehen. Der Nachweis solcher Zusammenhänge würde eine Prädiktionsfähigkeit des GGE-PRS demonstrieren, die perspektivisch ein Potential für dessen klinische Anwendbarkeit, beispielsweise im Sinne der personalisierten Medizin, aufzeigen könnte.
Die Identifizierung neuer Korrelationen sollte durch Vergleich der Phänotypen von zwei Gruppen von GGE-Patienten mit extrem hohen, beziehungsweise extrem niedrigen PRS-Werten erfolgen. Hierfür wurden von 2256 Patienten aus der Datenbank von Epi25, einem internationalen Forschungskollaborativ zur Erforschung der Relevanz genetischer Faktoren bei der Entwicklung von Epilepsie, die Patienten mit den höchsten (n=59) und den niedrigsten (n=49) GGE-PRS-Werten ausgewählt. Für diese 108 Patienten wurden retrospektive klinische Daten von den jeweiligen Behandlungszentren akquiriert. Hierzu wurde den Studienleitern der Zentren ein Questionnaire mit Fragen zu zahlreichen phänotypischen Parametern der Patienten übermittelt. Die Rücklaufrate war mit 54% gut.
Die so eingeholten Patientendaten wurden anschließend mittels Exaktem Test nach Fisher und Wilcoxon-Rangsummentest statistisch analysiert, um Unterschiede zwischen den Phänotypen beider Gruppen nachzuweisen. Im Falle der Pharmakoresistenz zeichneten sich hierbei zunächst signifikante Unterschiede ab, die ein selteneres Auftreten dieser Eigenschaft für Patienten mit hohen GGE-PRS-Werten implizierten. Diese Ergebnisse waren jedoch nach einer Bonferroni-Korrektur und bei Validierung in einer größeren Kohorte (n=825) nicht mehr signifikant. Für die anderen untersuchten Parameter waren ebenfalls keine signifikanten Unterschiede nachweisbar.
Das Ergebnis, dass für keinen der untersuchten Parameter signifikante Differenzen bestanden, obwohl zwei Kohorten mit extrem gegensätzlichen PRS-Werten untersucht wurden, spricht gegen eine Verwendung des aktuell verfügbaren GGE-PRS als prädiktiver Biomarker über das Erkrankungsrisiko hinaus und somit gegen dessen klinische Anwendbarkeit. Jedoch können die nicht-signifikanten Korrelationen im Falle der Pharmakoresistenz als Hinweis verstanden werden, dass im Bereich der Pharmakotherapie Zusammenhänge zwischen Score und Phänotyp bestehen könnten, die weiterer Untersuchungen in zukünftigen Studien bedürfen. Bei Verwendung eines verbesserten GGE-PRS mit zusätzlichen risikoassoziierten SNP und verfeinerter Wichtung der Effektstärken sowie größerer Kohorten könnten in diesem Bereich möglicherweise auch signifikante Zusammenhänge nachweisbar werden.
Background: Prostate cancer is a major health concern in aging men. Paralleling an aging society, prostate cancer prevalence increases emphasizing the need for efcient diagnostic algorithms.
Methods: Retrospectively, 106 prostate tissue samples from 48 patients (mean age,
66 ± 6.6 years) were included in the study. Patients sufered from prostate cancer (n = 38) or benign prostatic hyperplasia (n = 10) and were treated with radical prostatectomy or Holmium laser enucleation of the prostate, respectively. We constructed tissue microarrays (TMAs) comprising representative malignant (n = 38) and benign (n = 68) tissue cores. TMAs were processed to histological slides, stained, digitized and assessed for the applicability of machine learning strategies and open–source tools in diagnosis of prostate cancer. We applied the software QuPath to extract features for shape, stain intensity, and texture of TMA cores for three stainings, H&E, ERG, and PIN-4. Three machine learning algorithms, neural network (NN), support vector machines (SVM), and random forest (RF), were trained and cross-validated with 100 Monte Carlo random splits into 70% training set and 30% test set. We determined AUC values for single color channels, with and without optimization of hyperparameters by exhaustive grid search. We applied recursive feature elimination to feature sets of multiple color transforms.
Results: Mean AUC was above 0.80. PIN-4 stainings yielded higher AUC than H&E and
ERG. For PIN-4 with the color transform saturation, NN, RF, and SVM revealed AUC of 0.93 ± 0.04, 0.91 ± 0.06, and 0.92 ± 0.05, respectively. Optimization of hyperparameters improved the AUC only slightly by 0.01. For H&E, feature selection resulted in no increase of AUC but to an increase of 0.02–0.06 for ERG and PIN-4.
Conclusions: Automated pipelines may be able to discriminate with high accuracy between malignant and benign tissue. We found PIN-4 staining best suited for classifcation. Further bioinformatic analysis of larger data sets would be crucial to evaluate the reliability of automated classifcation methods for clinical practice and to evaluate potential discrimination of aggressiveness of cancer to pave the way to automatic precision medicine.