Cindy Perscheid

• Gene expression data is analyzed to identify biomarkers, e.g. relevant genes, which serve for diagnostic, predictive, or prognostic use. Traditional approaches for biomarker detection select distinctive features from the data based exclusively on the signals therein, facing multiple shortcomings in regards to overfitting, biomarker robustness, and actual biological relevance. Prior knowledge approaches are expected to address these issues by incorporating prior biological knowledge, e.g. on gene-disease associations, into the actual analysis. However, prior knowledge approaches are currently not widely applied in practice because they are often use-case specific and seldom applicable in a different scope. This leads to a lack of comparability of prior knowledge approaches, which in turn makes it currently impossible to assess their effectiveness in a broader context. Our work addresses the aforementioned issues with three contributions. Our first contribution provides formal definitions for both prior knowledge and the flexibleGene expression data is analyzed to identify biomarkers, e.g. relevant genes, which serve for diagnostic, predictive, or prognostic use. Traditional approaches for biomarker detection select distinctive features from the data based exclusively on the signals therein, facing multiple shortcomings in regards to overfitting, biomarker robustness, and actual biological relevance. Prior knowledge approaches are expected to address these issues by incorporating prior biological knowledge, e.g. on gene-disease associations, into the actual analysis. However, prior knowledge approaches are currently not widely applied in practice because they are often use-case specific and seldom applicable in a different scope. This leads to a lack of comparability of prior knowledge approaches, which in turn makes it currently impossible to assess their effectiveness in a broader context. Our work addresses the aforementioned issues with three contributions. Our first contribution provides formal definitions for both prior knowledge and the flexible integration thereof into the feature selection process. Central to these concepts is the automatic retrieval of prior knowledge from online knowledge bases, which allows for streamlining the retrieval process and agreeing on a uniform definition for prior knowledge. We subsequently describe novel and generalized prior knowledge approaches that are flexible regarding the used prior knowledge and applicable to varying use case domains. Our second contribution is the benchmarking platform Comprior. Comprior applies the aforementioned concepts in practice and allows for flexibly setting up comprehensive benchmarking studies for examining the performance of existing and novel prior knowledge approaches. It streamlines the retrieval of prior knowledge and allows for combining it with prior knowledge approaches. Comprior demonstrates the practical applicability of our concepts and further fosters the overall development and comparability of prior knowledge approaches. Our third contribution is a comprehensive case study on the effectiveness of prior knowledge approaches. For that, we used Comprior and tested a broad range of both traditional and prior knowledge approaches in combination with multiple knowledge bases on data sets from multiple disease domains. Ultimately, our case study constitutes a thorough assessment of a) the suitability of selected knowledge bases for integration, b) the impact of prior knowledge being applied at different integration levels, and c) the improvements in terms of classification performance, biological relevance, and overall robustness. In summary, our contributions demonstrate that generalized concepts for prior knowledge and a streamlined retrieval process improve the applicability of prior knowledge approaches. Results from our case study show that the integration of prior knowledge positively affects biomarker results, particularly regarding their robustness. Our findings provide the first in-depth insights on the effectiveness of prior knowledge approaches and build a valuable foundation for future research.…
• Biomarker sind charakteristische biologische Merkmale mit diagnostischer oder prognostischer Aussagekraft. Auf der molekularen Ebene sind dies Gene mit einem krankheitsspezifischen Expressionsmuster, welche mittels der Analyse von Genexpressionsdaten identifiziert werden. Traditionelle Ansätze für diese Art von Biomarker Detection wählen Gene als Biomarker ausschließlich anhand der vorhandenen Signale im Datensatz aus. Diese Vorgehensweise zeigt jedoch Schwächen insbesondere in Bezug auf die Robustheit und tatsächliche biologische Relevanz der identifizierten Biomarker. Verschiedene Forschungsarbeiten legen nahe, dass die Berücksichtigung des biologischen Kontexts während des Selektionsprozesses diese Schwächen ausgleichen kann. Sogenannte wissensbasierte Ansätze für Biomarker Detection beziehen vorhandenes biologisches Wissen, beispielsweise über Zusammenhänge zwischen bestimmten Genen und Krankheiten, direkt in die Analyse mit ein. Die Anwendung solcher Verfahren ist in der Praxis jedoch derzeit nicht weit verbreitet, daBiomarker sind charakteristische biologische Merkmale mit diagnostischer oder prognostischer Aussagekraft. Auf der molekularen Ebene sind dies Gene mit einem krankheitsspezifischen Expressionsmuster, welche mittels der Analyse von Genexpressionsdaten identifiziert werden. Traditionelle Ansätze für diese Art von Biomarker Detection wählen Gene als Biomarker ausschließlich anhand der vorhandenen Signale im Datensatz aus. Diese Vorgehensweise zeigt jedoch Schwächen insbesondere in Bezug auf die Robustheit und tatsächliche biologische Relevanz der identifizierten Biomarker. Verschiedene Forschungsarbeiten legen nahe, dass die Berücksichtigung des biologischen Kontexts während des Selektionsprozesses diese Schwächen ausgleichen kann. Sogenannte wissensbasierte Ansätze für Biomarker Detection beziehen vorhandenes biologisches Wissen, beispielsweise über Zusammenhänge zwischen bestimmten Genen und Krankheiten, direkt in die Analyse mit ein. Die Anwendung solcher Verfahren ist in der Praxis jedoch derzeit nicht weit verbreitet, da existierende Methoden oft spezifisch für einen bestimmten Anwendungsfall entwickelt wurden und sich nur mit großem Aufwand auf andere Anwendungsgebiete übertragen lassen. Dadurch sind Vergleiche untereinander kaum möglich, was es wiederum nicht erlaubt die Effektivität von wissensbasierten Methoden in einem breiteren Kontext zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den vorgenannten Herausforderungen für wissensbasierte Ansätze. In einem ersten Schritt legen wir formale und einheitliche Definitionen für vorhandenes biologisches Wissen sowie ihre flexible Integration in den Biomarker-Auswahlprozess fest. Der Kerngedanke unseres Ansatzes ist die automatisierte Beschaffung von biologischem Wissen aus im Internet frei verfügbaren Wissens-Datenbanken. Dies erlaubt eine Vereinfachung der Kuratierung sowie die Festlegung einer einheitlichen Definition für biologisches Wissen. Darauf aufbauend beschreiben wir generalisierte wissensbasierte Verfahren, welche flexibel auf verschiedene Anwendungsfalle anwendbar sind. In einem zweiten Schritt haben wir die Benchmarking-Plattform Comprior entwickelt, welche unsere theoretischen Konzepte in einer praktischen Anwendung realisiert. Comprior ermöglicht die schnelle Umsetzung von umfangreichen Experimenten für den Vergleich von wissensbasierten Ansätzen. Comprior übernimmt die Beschaffung von biologischem Wissen und ermöglicht dessen beliebige Kombination mit wissensbasierten Ansätzen. Comprior demonstriert damit die praktische Umsetzbarkeit unserer theoretischen Konzepte und unterstützt zudem die technische Realisierung und Vergleichbarkeit wissensbasierter Ansätze. In einem dritten Schritt untersuchen wir die Effektivität wissensbasierter Ansätze im Rahmen einer umfangreichen Fallstudie. Mithilfe von Comprior vergleichen wir die Ergebnisse traditioneller und wissensbasierter Ansätze im Kontext verschiedener Krankheiten, wobei wir für wissensbasierte Ansätze auch verschiedene Wissens-Datenbanken verwenden. Unsere Fallstudie untersucht damit a) die Eignung von ausgewählten Wissens-Datenbanken für deren Einsatz bei wissensbasierten Ansätzen, b) den Einfluss verschiedener Integrationskonzepte für biologisches Wissen auf den Biomarker-Auswahlprozess, und c) den Grad der Verbesserung in Bezug auf die Klassifikationsleistung, biologische Relevanz und allgemeine Robustheit der selektierten Biomarker. Zusammenfassend demonstriert unsere Arbeit, dass generalisierte Konzepte für biologisches Wissen und dessen vereinfachte Kuration die praktische Anwendbarkeit von wissensbasierten Ansätzen erleichtern. Die Ergebnisse unserer Fallstudie zeigen, dass die Integration von vorhandenem biologischen Wissen einen positiven Einfluss auf die selektierten Biomarker hat, insbesondere in Bezug auf ihre biologische Relevanz. Diese erstmals umfassenderen Erkenntnisse zur Effektivität von wissensbasierten Ansätzen bilden eine wertvolle Grundlage für zukünftige Forschungsarbeiten.…