Étude des déterminants de la puissance statistique en spectrométrie de masse

Statistical power determinants in mass-spectrometry

• Auteur / Autrice : Thomas Jouve
• Direction : Pascal Roy, Patrick Ducoroy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biostatistiques
• Date : Soutenance le 03/12/2009
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive
• Jury : Président / Présidente : Philippe Besse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hubert Charles
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Louis Golmard, Bart Mertens, Nicolas Molinari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectrométrie de masse

Protéomique

Plan d'expérience

Sciences de la santé

Biométrie

Cancérologie

Marqueurs biologiques

Technologie de pointe

Mots clés libres

Puissance statistique

Protéomique

Spectrométrie de masse

Haut-débit

Calibration

Tests multiples

Perte séquentielle de puissance

Statistical power

Proteomics

Mass-spectrometry

High-throughput

Calibration

Multiple testing

Sequential power los

Résumé

La spectrométrie de masse fait partie des technologies haut débit et offre à ce titre un regard inédit, à une échelle nouvelle, sur les protéines contenues dans divers échantillons biologiques. Les études biomédicales utilisant cette technologie sont de plus en plus nombreuses et visent à détecter de nouveaux biomarqueurs de différents processus biologiques, notamment de processus pathologiques à l'origine de cancers. Cette utilisation comme outil de criblage pose des questions quant à la capacité même des expériences de spectrométrie de masse dans cette détection. La puissance statistique traduit cette capacité et rappelle que les études doivent être calibrées pour offrir des garanties suffisantes de succès. Toutefois, cette exploration de la puissance statistique en spectrométrie de masse n'a pas encore été réalisée. L'objet de cette thèse est précisément l'étude des déterminants de la puissance pour la détection de biomarqueurs en spectrométrie de masse. Une revue de la littérature a été réalisée, reprenant l'ensemble des étapes nécessaires du traitement du signal, afin de bien comprendre les techniques utilisées. Les méthodes statistiques disponibles pour l'analyse du signal ainsi traité sont revues et mises en perspective. Les situations de tests multiples, qui émergent notamment de ces données de spectrométrie de masse, suggèrent une redéfinition de la puissance, détaillée par la suite. La puissance statistique dépend du plan d'expérience. La taille d'échantillon, la répartition entre groupes étudiés et l'effet différentiel ont été investigués, par l'intermédiaire de simulations d'expériences de spectrométrie de masse. On retrouve ainsi les résultats classiques de la puissance, faisant notamment ressortir le besoin crucial d'augmenter la tailles des études pour détecter des biomarqueurs, particulièrement lorsque ceux-ci présentent un faible effet différentiel. Au delà de ces déterminants classiques de la puissance, des déterminants propres à la spectrométrie de masse apparaissent. Une chute importante de puissance est mise en évidence, due à l'erreur de mesure des technologies de spectrométrie de masse. Une synergie péjorative existe de plus entre erreur de mesure et procédure de contrôle du risque de première espèce de type FDR. D'autre part, les méthodes de détection des pics, par leurs imperfections (faux pics et pics manqués), induisent un contrôle suboptimal de ce risque de première espèce, conduisant à une autre chute de puissance. Ce travail de thèse met ainsi en évidence trois niveaux d'intervention possibles pour améliorer la puissance des études : la meilleure calibration des plans d'expérience, la minimisation de l'erreur de mesure et l'amélioration des algorithmes de prétraitement. La technologie même de spectrométrie de masse ne pourra conduire de façon fiable à la détection de nouveaux biomarqueurs qu'au prix d'un travail à ces trois niveaux.

Mass-spectrometry (MS) belongs to the high-throughput technologies and therefore offers an originalperspective on proteins contained in various biological samples, at a new scale. Biomedicalstudies using this technology are increasingly frequent. They aim at detecting new biomarkersof different biological processes, especially pathological processes leading to cancer. This use asa screening tool asks questions regarding the very detection effectiveness of MS experiments.Statistical power is the direct translation of this effectiveness and reminds us that calibratedstudies are required to offer sufficient guarantees of success. However, this exploration of statisticalpower in mass-spectrometry has not been performed yet. The theme of this work is preciselythe study of power determinants for the detection of biomarkers in MS studies.A literature review was performed, summarizing all necessary pretreatment steps of thesignal analysis, in order to understand the utilized techniques. Available statistical methods forthe analysis of this pretreated signal are also reviewed and put into perspective. Multiple testingsettings arising from MS data suggest a power redefinition. This power redefinition is detailed.Statistical power depends on the study design. Sample sizes, group repartition and the differentialeffect were investigated through MS experiment simulations. Classical results of statisticalpower are acknowledged, with an emphasis on the crucial need to increase sample sizes forbiomarker detection, especially when these markers show low differential effects.Beyond these classical power determinants, mass-spectrometry specific determinants appear.An important power drop is experienced when taking into account the high measurement variabilityencountered in mass-spectrometry. A detrimental synergy exists between measurementvariability and type 1 error control procedures (e.g. FDR). Furtheremore, the imperfections ofpeak detection methods (false and missed peaks) induce a sub-optimal control of this type 1error, leading to another power drop.This work shows three possible intervention levels if we want to improve power in MS studies: a better study design, measurement variability minimisation and pretreatment algorithmsimprovements. Only a work at these three levels can guarantee reliable biomarker detections inthese studies.