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Investigating ADR mechanisms with Explainable AI: a feasibility study with knowledge graph mining

Authors :
Emmanuel Bresso
Pierre Monnin
Cédric Bousquet
François-Elie Calvier
Ndeye-Coumba Ndiaye
Nadine Petitpain
Malika Smaïl-Tabbone
Adrien Coulet
Computational Algorithms for Protein Structures and Interactions (CAPSID)
Inria Nancy - Grand Est
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Department of Complex Systems, Artificial Intelligence & Robotics (LORIA - AIS)
Laboratoire Lorrain de Recherche en Informatique et ses Applications (LORIA)
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Laboratoire Lorrain de Recherche en Informatique et ses Applications (LORIA)
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Centre Hospitalier Régional Universitaire de Nancy (CHRU Nancy)
Knowledge representation, reasonning (ORPAILLEUR)
Department of Natural Language Processing & Knowledge Discovery (LORIA - NLPKD)
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Orange Labs [Belfort] (Orange Labs)
France Télécom
Laboratoire d'Informatique Médicale et Ingénierie des Connaissances en e-Santé (LIMICS)
Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Sorbonne Université (SU)-Université Sorbonne Paris Nord
Centre Hospitalier Universitaire de Saint-Etienne [CHU Saint-Etienne] (CHU ST-E)
Nutrition-Génétique et Exposition aux Risques Environnementaux (NGERE)
Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université de Lorraine (UL)
Centre Régional de PharmacoVigilance de Lorraine (CRPV Lorraine)
Health data- and model- driven Knowledge Acquisition (HeKA)
Inria de Paris
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de Recherche des Cordeliers (CRC (UMR_S_1138 / U1138))
École Pratique des Hautes Études (EPHE)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Sorbonne Université (SU)-Université Paris Cité (UPCité)-École Pratique des Hautes Études (EPHE)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Sorbonne Université (SU)-Université Paris Cité (UPCité)
ANR-15-CE23-0028,PractiKPharma,Confrontation entre connaissances de l'état de l'art et connaissances extraites de dossiers patients en pharmacogénomique(2015)
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Department of Natural Language Processing & Knowledge Discovery (LORIA - NLPKD)
Orange Labs
ANR-15-RHUS-0004,FIGHT-HF,Combattre l'insuffisance cardiaque(2015)
Défaillance Cardiovasculaire Aiguë et Chronique (DCAC)
Centre Hospitalier Régional Universitaire de Nancy (CHRU Nancy)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université de Lorraine (UL)
Centre Hospitalier Universitaire de Saint-Etienne (CHU de Saint-Etienne)
CRHU Nancy
École pratique des hautes études (EPHE)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Sorbonne Université (SU)-Université de Paris (UP)-École pratique des hautes études (EPHE)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Sorbonne Université (SU)-Université de Paris (UP)
Monnin, Pierre
Interactions humain-machine, objets connectés, contenus numériques, données massives et connaissance - Confrontation entre connaissances de l'état de l'art et connaissances extraites de dossiers patients en pharmacogénomique - - PractiKPharma2015 - ANR-15-CE23-0028 - AAPG2015 - VALID
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Sorbonne Université (SU)-Université Paris Cité (UPCité)-École pratique des hautes études (EPHE)
Université de Lorraine (UL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre Hospitalier Régional Universitaire de Nancy (CHRU Nancy)
Coulet, Adrien
Combattre l'insuffisance cardiaque - - FIGHT-HF2015 - ANR-15-RHUS-0004 - RHUS - VALID
Source :
JOBIM 2022-Journées Ouvertes en Biologie, Informatique et Mathématiques, JOBIM 2022-Journées Ouvertes en Biologie, Informatique et Mathématiques, Jul 2022, Rennes, France., JOBIM 2022 Proceedings-Keynotes, Contributed talks, Mini-Symposia, BMC Medical Informatics and Decision Making, BMC Medical Informatics and Decision Making, 2021, 21 (1), pp.171. ⟨10.1186/s12911-021-01518-6⟩, BMC Medical Informatics and Decision Making, BioMed Central, 2021, 21 (1), pp.171. ⟨10.1186/s12911-021-01518-6⟩, BMC Medical Informatics and Decision Making, Vol 21, Iss 1, Pp 1-14 (2021)
Publication Year :
2022
Publisher :
HAL CCSD, 2022.

Abstract

Background Adverse drug reactions (ADRs) are statistically characterized within randomized clinical trials and postmarketing pharmacovigilance, but their molecular mechanism remains unknown in most cases. This is true even for hepatic or skin toxicities, which are classically monitored during drug design. Aside from clinical trials, many elements of knowledge about drug ingredients are available in open-access knowledge graphs, such as their properties, interactions, or involvements in pathways. In addition, drug classifications that label drugs as either causative or not for several ADRs, have been established. Methods We propose in this paper to mine knowledge graphs for identifying biomolecular features that may enable automatically reproducing expert classifications that distinguish drugs causative or not for a given type of ADR. In an Explainable AI perspective, we explore simple classification techniques such as Decision Trees and Classification Rules because they provide human-readable models, which explain the classification itself, but may also provide elements of explanation for molecular mechanisms behind ADRs. In summary, (1) we mine a knowledge graph for features; (2) we train classifiers at distinguishing, on the basis of extracted features, drugs associated or not with two commonly monitored ADRs: drug-induced liver injuries (DILI) and severe cutaneous adverse reactions (SCAR); (3) we isolate features that are both efficient in reproducing expert classifications and interpretable by experts (i.e., Gene Ontology terms, drug targets, or pathway names); and (4) we manually evaluate in a mini-study how they may be explanatory. Results Extracted features reproduce with a good fidelity classifications of drugs causative or not for DILI and SCAR (Accuracy = 0.74 and 0.81, respectively). Experts fully agreed that 73% and 38% of the most discriminative features are possibly explanatory for DILI and SCAR, respectively; and partially agreed (2/3) for 90% and 77% of them. Conclusion Knowledge graphs provide sufficiently diverse features to enable simple and explainable models to distinguish between drugs that are causative or not for ADRs. In addition to explaining classifications, most discriminative features appear to be good candidates for investigating ADR mechanisms further. Supplementary Information The online version contains supplementary material available at 10.1186/s12911-021-01518-6.

Details

Language :
English
ISSN :
14726947
Database :
OpenAIRE
Journal :
JOBIM 2022-Journées Ouvertes en Biologie, Informatique et Mathématiques, JOBIM 2022-Journées Ouvertes en Biologie, Informatique et Mathématiques, Jul 2022, Rennes, France., JOBIM 2022 Proceedings-Keynotes, Contributed talks, Mini-Symposia, BMC Medical Informatics and Decision Making, BMC Medical Informatics and Decision Making, 2021, 21 (1), pp.171. ⟨10.1186/s12911-021-01518-6⟩, BMC Medical Informatics and Decision Making, BioMed Central, 2021, 21 (1), pp.171. ⟨10.1186/s12911-021-01518-6⟩, BMC Medical Informatics and Decision Making, Vol 21, Iss 1, Pp 1-14 (2021)
Accession number :
edsair.pmid.dedup....d22f85245f0e4e47ef964be42f79eda0
Full Text :
https://doi.org/10.1186/s12911-021-01518-6⟩