Entwicklung einer flexiblen bioinformatischen Plattform ... · Entwicklung einer flexiblen...

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Entwicklung einer flexiblen bioinformatischen Plattform zur Analyse von Massenspektrometriedaten Sebastian Gibb Institut f¨ ur Medizinische Informatik, Statistik und Epidemiologie (IMISE) Universit¨ at Leipzig seit Dezember 2014: Klinik f¨ ur An¨ asthesiologie, Universit¨ atsmedizin Greifswald 22. Juli 2015 Sebastian Gibb, MALDIquant, 2015-07-22 1

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Entwicklung einer flexiblenbioinformatischen Plattform zur Analyse vonMassenspektrometriedaten

Sebastian GibbInstitut fur Medizinische Informatik, Statistik und Epidemiologie (IMISE)Universitat Leipzigseit Dezember 2014: Klinik fur Anasthesiologie, Universitatsmedizin Greifswald

22. Juli 2015Sebastian Gibb, MALDIquant, 2015-07-22 1

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Fruherkennung von Erkrankungen

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Funktionsweise MALDI/TOF MS

Beschleunigung Flugstrecke (s)

Ionenquelle Massenanalysator Detektor

Probe

U

m3 > m2 > m1

LASER

Spektrum

m/z

Inte

nsita

t

m1 < m2 < m3

J. H. Gross. Mass Spectrometry: A Textbook. Springer, 2004. URL http://www.springer.com/chemistry/analytical+chemistry/book/978-3-642-10709-2

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*omics Analyse

technologieabhangig

2000 4000 6000 8000 10000

A

2000 4000 6000 8000 10000

B

● ●●

●●●

●●

● ● ●●● ●

●●● ●●

● ●

● ● ●

2000 4000 6000 8000

−2

−1

01

23

4 C

4180 4190 4200 4210 4220 4230 4240

D

4180 4190 4200 4210 4220 4230 4240

E

2000 4000 6000 8000 10000

F

1206.796

1466.027

1545.929

3262.745

4209.948

4644.373

5336.871

5904.68

7766.411 9290.533

⇓technologieunabhangig

HC

002

HC

050

HC

055

HC

062

HC

033

HC

064

HC

001

HC

049

HC

011

HC

118

HP

424

HC

066

HC

120

HC

057

HP

419

HC

008

HC

054

HC

122

HC

067

HC

056

HC

059

HC

119

HP

120

HP

410

HP

208

HP

321

HP

438

HP

413

HP

416

HP

151

HP

161

HP

393

HP

150

HP

402

HP

417

HP

262

HP

425

HP

121

HP

212

HP

429

control cancer

The 10 Top Ranking Features

t−Scores (Centroid vs. Pooled Mean)

mz

1866.16591692443

5945.5697657874

2022.94475790442

5906.17351903972

5864.49053296298

8989.20382965523

4494.80267780907

8868.2678310697

4468.06600951353

8936.97236585095

−5 0 5

−5 0 5cancer control

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Transparente Software

“The analysis and interpretation of the enormousvolumes of proteomic data remains an unsolvedchallenge, . . .Therefore, the development of transparent tools forthe analysis of proteomic data . . . is a key challenge.. . .The development of such proteomics tools is still in itsinfancy.”

Ruedi Aebersold & Matthias Mann, Nature 2003

R. Aebersold and M. Mann. Mass spectrometry-based proteomics. Nature, 422:198–207, Mar 2003. URL http://dx.doi.org/10.1038/nature01511

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Open Source Software/Reproduzierbarkeit

• Reproduzierbarkeit.• Transparenz/Dokumentation.• Flexibilitat und Erweiterbarkeit.• Innovationen.• Verstandnis fur Daten und Analyse.

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Eigene Beitrage

• MALDIquant• “state-of-the-art” Methoden zur Analyse von 2D-MS Daten.• Abbildung individueller Arbeitsablaufe.• Behandlung von Spektren unterschiedlicher Auflosung und

biologischer/technischer Replikate.• Ausfuhrliche Dokumentation und Beispielanalysen.• Automatische Tests.

• MALDIquantForeign• Import von 11 verschiedenen Dateiformaten.• Export in 5 verschiedene Dateiformate.• readBrukerFlexData und readMzXmlData.

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Funktionen

MALDIquant ist freie Software (GPLv3).Funktionen in MALDIquant 1.12:

• Intensity Transformation.• Intensity Smoothing.• Baseline Correction.• Peak Detection.• Warping/Peak Alignment.• Peak Binning.• Peak Filtering.• Calibration.• Multiple plotting methods.

• Peak Labeling.• Handling biological/technical

replicates.• Handling different resolutions.• Merging mass spectra/peaks.• Handling of MSI data.• Fast (parallel support).• Modular: easy to customize.

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Anwendungsbeispiel Fiedler et al. 2009

Serum Peptidome Profiling Revealed Platelet Factor 4 as aPotential Discriminating Peptide Associated withPancreatic CancerG.M. Fiedler, A.B. Leichtle, J. Kase et alClin Cancer Res June 1, 2009 15:3812-3819

“Two significant peaks (m/z 3884; 5959) achieved asensitivity of 86.3% and a specificity of 97.6% for thediscrimination of patients and healthy controls . . . ”

“MALDI-TOF MS-based serum peptidome profilingallowed the discovery and validation ofplatelet factor 4 [m/z 3884, 7767; S.G.] as a newdiscriminating marker in pancreatic cancer.”

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Import der RohdatenRaw Data

Data Import

Smoothing

Baseline Correction

Intensity Calibration

Peak Detection

Peak Alignment

Peak Binning

Feature Matrix

Post Processing

Result

2000 4000 6000 8000 10000

0e+

002e

+04

4e+

046e

+04

8e+

041e

+05

Pankreas_HB_L_061019_G10.M19

mass

inte

nsity

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Transformation der IntensitatenRaw Data

Data Import

Smoothing

Baseline Correction

Intensity Calibration

Peak Detection

Peak Alignment

Peak Binning

Feature Matrix

Post Processing

Result

2000 4000 6000 8000 10000

050

100

150

200

250

300

Pankreas_HB_L_061019_G10.M19

mass

inte

nsity

Sebastian Gibb, MALDIquant, 2015-07-22 11

Page 12: Entwicklung einer flexiblen bioinformatischen Plattform ... · Entwicklung einer flexiblen bioinformatischen Plattform zur Analyse von Massenspektrometriedaten Sebastian Gibb Institut

Korrektur der GrundlinieRaw Data

Data Import

Smoothing

Baseline Correction

Intensity Calibration

Peak Detection

Peak Alignment

Peak Binning

Feature Matrix

Post Processing

Result

2000 4000 6000 8000 10000

050

100

150

200

250

300

SNIP

mass

inte

nsity

Sebastian Gibb, MALDIquant, 2015-07-22 12

Page 13: Entwicklung einer flexiblen bioinformatischen Plattform ... · Entwicklung einer flexiblen bioinformatischen Plattform zur Analyse von Massenspektrometriedaten Sebastian Gibb Institut

Korrektur der GrundlinieRaw Data

Data Import

Smoothing

Baseline Correction

Intensity Calibration

Peak Detection

Peak Alignment

Peak Binning

Feature Matrix

Post Processing

Result

2000 4000 6000 8000 10000

050

100

150

200

250

Pankreas_HB_L_061019_G10.M19

mass

inte

nsity

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Kalibrierung der IntensitatenRaw Data

Data Import

Smoothing

Baseline Correction

Intensity Calibration

Peak Detection

Peak Alignment

Peak Binning

Feature Matrix

Post Processing

Result

5200 5250 5300 5350 5400

020

4060

8010

012

014

0

mass

∆ = 16 %

5200 5250 5300 5350 5400

0.00

000.

0010

0.00

200.

0030

∆ = 6 %

5800 5850 5900 5950 6000

020

4060

8010

012

014

0

mass

inte

nsity

∆ = 23 %

5800 5850 5900 5950 6000

0.00

000.

0010

0.00

200.

0030

inte

nsity

∆ = 3 %

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Identifizierung von MerkmalenRaw Data

Data Import

Smoothing

Baseline Correction

Intensity Calibration

Peak Detection

Peak Alignment

Peak Binning

Feature Matrix

Post Processing

Result

3800 4000 4200 4400 4600 4800

0.00

000.

0005

0.00

100.

0015

Pankreas_HB_L_061019_D9.G18

mass

inte

nsity

●●●●●●●●●●

● ●●

●●●●●

●●

●●●●●●●

●●●●●●●

●●

●●● ●●●

● ●

●●

●●●●

●●

●● ●

●●

●●

● ●

3883.66 4092.263

4210.747

4467.658 4645.361

accepted maximarejected maximanoise threshold

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Kalibrierung der m/z-WerteRaw Data

Data Import

Smoothing

Baseline Correction

Intensity Calibration

Peak Detection

Peak Alignment

Peak Binning

Feature Matrix

Post Processing

Result

4180 4190 4200 4210 4220 4230 4240

unwarped

mass

9200 9250 9300 9350 9400

unwarped

mass

inte

nsity

Sebastian Gibb, MALDIquant, 2015-07-22 15

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Kalibrierung der m/z-WerteRaw Data

Data Import

Smoothing

Baseline Correction

Intensity Calibration

Peak Detection

Peak Alignment

Peak Binning

Feature Matrix

Post Processing

Result

●●●

●●

●●●●●●●●

●●●●●●

●●●●

●●

●●● ● ●●

●●●●●

●●●●●●● ●●●●

●●● ●

●●●

●●●

● ●

● ●●

●●

●●

●●●

● ●

●●

2000 4000 6000 8000

−6

−4

−2

02

46

sample 1 vs reference(matched peaks: 94/94)

mass

diffe

renc

e

●●●●●●●●●●●●

●●

●●●●●●●●●

●●●

●●

●●

●●●

●●●●●●

●● ●●●●●

●●●●

●●●

●●● ●

●● ●

●●

●●●●

● ●

2000 4000 6000 8000

−6

−4

−2

02

46

sample 2 vs reference(matched peaks: 92/94)

mass

diffe

renc

e

●●●●●

●●●●●●●●●

●●●

●●●●●●●●

●●

●●●● ●

●●

●●

●●●

●●●●●●●

●●

●●●

●●●

●●●

●●●●

● ●

●●

2000 4000 6000 8000

−6

−4

−2

02

46

sample 3 vs reference(matched peaks: 90/94)

mass

diffe

renc

e

●●●●

●●●●●●●●

●●●●●●●●

●●●

●●●●

●●

●●●● ●

●●●●●

●●●

●●●●●

●●

●●

●●

●●●

● ●●

●●

●●

● ●

2000 4000 6000 8000−

6−

4−

20

24

6

sample 4 vs reference(matched peaks: 94/94)

mass

diffe

renc

e

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Kalibrierung der m/z-WerteRaw Data

Data Import

Smoothing

Baseline Correction

Intensity Calibration

Peak Detection

Peak Alignment

Peak Binning

Feature Matrix

Post Processing

Result

4180 4190 4200 4210 4220 4230 4240

unwarped

mass

9200 9250 9300 9350 9400

unwarped

mass

inte

nsity

4180 4190 4200 4210 4220 4230 4240

MALDIquant

mass

9200 9250 9300 9350 9400

MALDIquant

mass

inte

nsity

Sebastian Gibb, MALDIquant, 2015-07-22 15

Page 19: Entwicklung einer flexiblen bioinformatischen Plattform ... · Entwicklung einer flexiblen bioinformatischen Plattform zur Analyse von Massenspektrometriedaten Sebastian Gibb Institut

Kalibrierung der m/z-WerteRaw Data

Data Import

Smoothing

Baseline Correction

Intensity Calibration

Peak Detection

Peak Alignment

Peak Binning

Feature Matrix

Post Processing

Result

4180 4190 4200 4210 4220 4230 4240

Pankreas_HB_L_061019_G10.M20

mass

4193.201 4209.9344194.806 4210.076

4193.367 4210.0944192.13 4209.903

9200 9250 9300 9350 9400

Pankreas_HB_L_061019_G10.M20

mass

inte

nsity

9290.9619291.7069291.0519290.646

4180 4190 4200 4210 4220 4230 4240

Pankreas_HB_L_061019_G10.M20

mass

4193.764 4209.9854193.764 4209.9854193.764 4209.9854193.764 4209.985

9200 9250 9300 9350 9400

Pankreas_HB_L_061019_G10.M20

mass

inte

nsity

9290.519290.519290.519290.51

Sebastian Gibb, MALDIquant, 2015-07-22 16

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Feature MatrixRaw Data

Data Import

Smoothing

Baseline Correction

Intensity Calibration

Peak Detection

Peak Alignment

Peak Binning

Feature Matrix

Post Processing

Result

1011.95683040433 1020.93287697588HC056 0.0001662288 0.0010911416 . . .HC001 0.0001865509 0.0007400781 . . .HC002 0.0001690267 0.0006584539 . . .HC008 0.0001516142 0.0002370617 . . .HC011 0.0001514336 0.0004122820 . . .HC033 0.0001457631 0.0006348643 . . .HC049 0.0001615118 0.0004522258 . . .HC050 0.0001637069 0.0011229157 . . .HC054 0.0002076213 0.0005488659 . . .HC055 0.0001860750 0.0005867420 . . .HC122 0.0001261214 0.0005200141 . . .HC057 0.0001386024 0.0003449330 . . .. . . . . . . . . . . .

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Arbeitsablauf in R

1 library (" MALDIquant ")2 library (" MALDIquantForeign ")34 spectra <- import (" fiedler2009spectra .tar.gz")56 spectra <- transformIntensity (spectra , method ="sqrt")7 spectra <- smoothIntensity (spectra , method =" SavitzkyGolay ")8 spectra <- removeBaseline (spectra , method ="SNIP")9 spectra <- calibrateIntensity (spectra , method ="TIC")

1011 peaks <- detectPeaks ( spectra )1213 warpingFunctions <- determineWarpingFunctions ( peaks )14 spectra <- warpMassSpectra (spectra , warpingFunctions )15 peaks <- warpMassPeaks (peaks , warpingFunctions )16 peaks <- binPeaks ( peaks )1718 featureMatrix <- intensityMatrix (peaks , spectra )

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Ergebnisse/Klassifizierung

The 10 Top Ranking Features

t−Scores (Centroid vs. Pooled Mean)

mz

1866.16591692443

5945.5697657874

2022.94475790442

5906.17351903972

5864.49053296298

8989.20382965523

4494.80267780907

8868.2678310697

4468.06600951353

8936.97236585095

−5 0 5

−5 0 5cancer control

M. Ahdesmaki and K. Strimmer. Feature selection in omics prediction problems using cat scores and false nondiscovery rate control. The Annals of Applied Statistics, 4(1):503–519, Mar 2010. doi: 10.1214/09-AOAS277. URL http://dx.doi.org/10.1214/09-AOAS277

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Ergebnisse/Spektrenvergleich

2000 4000 6000 8000 10000

0.00

00.

002

0.00

4

mass

inte

nsity

: Pankreas_HB_L_061019_B4control

3884.03 4468.07 5906.17 7768.08 8936.97

2000 4000 6000 8000 10000

0.00

00.

002

0.00

4

mass

inte

nsity

: Pankreas_HB_L_061019_D5cancer

3884.03 4468.07 5906.17 7768.08 8936.97

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Ergebnisse/ClusteringH

C00

2

HC

050

HC

055

HC

062

HC

033

HC

064

HC

001

HC

049

HC

011

HC

118

HP

424

HC

066

HC

120

HC

057

HP

419

HC

008

HC

054

HC

122

HC

067

HC

056

HC

059

HC

119

HP

120

HP

410

HP

208

HP

321

HP

438

HP

413

HP

416

HP

151

HP

161

HP

393

HP

150

HP

402

HP

417

HP

262

HP

425

HP

121

HP

212

HP

429

control cancer

Sebastian Gibb, MALDIquant, 2015-07-22 21

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Ergebnisse/Biologische Relevanz

• Complement C3 (CO3 HUMAN)

• Pancreatic Progenitor Cell Differentiation and ProliferationFactor-Like Protein (PDPFL HUMAN)

Komplette Analyse unter:http://strimmerlab.org/software/maldiquant/

8750 8800 8850 8900 8950 9000

0.00

000.

0010

0.00

20

mass

inte

nsity

control

1st Quantile

Median

3rd Quantile

8750 8800 8850 8900 8950 9000

0.00

000.

0010

0.00

20

mass

cancer

Sebastian Gibb, MALDIquant, 2015-07-22 22

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Publikation

MALDIquant: a versatile R package for the analysis of massspectrometry dataS. Gibb, K. Strimmer - Bioinformatics, 2012

> 50 Publikationen:Antibiotikaresistenzen von Bakterien, Spezienbestimmung (Bakterien,Insekten), MSI, Profiling/Fruherkennung von Krankheiten, Aktivierungdes Immunsystems, Spiegelbestimmung von Medikamenten, . . .

Software: MSnbase, MSI.R, Mass-Up

Verfugbarkeit: CRAN, RforProteomics, MASSyPup, Debian, Ubuntu

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Zusammenfassung

MALDIquant

• Freie, transparente Software fur 2D-MS Daten.• Reproduzierbare Analysen.• Ausfuhrliche Dokumentation und Beispielanalysen.• Flexible Anwendungsmoglichkeiten.• Vielfaltige Verwendung.

Kontakt:[email protected]

MALDIquant Software:http://strimmerlab.org/software/maldiquant/

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Danksagung

G. M. Fiedler und A. B. Leichtle: Diskussionen, Beispieldaten(Universitatsinstitut fur Klinische Chemie, Universitatsspital Bern)

Katrin Uhlmann und Ralph Feltens: Diskussionen, Beispieldaten(Department Proteomik, Helmholtz-Zentrum fur Umweltforschung (UFZ) Leipzig)

Korbinian Strimmer: Betreuung der Disseration(Epidemiology and Biostatistics, School of Public Health, Imperial College London)

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Mass Spectrometry Imaging

This dataset was kindly provided by Dr. Adrien Nyakas ([email protected]; http://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.735961).

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Mass Spectrometry Imaging

3364.079 ± 0.53510.382 ± 0.5

This dataset was kindly provided by Dr. Adrien Nyakas ([email protected]; http://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.735961).

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