Сравнительный анализ моделей машинного обучения для прогнозирования антрациклин-индуцированной кардиотоксичности у пациентов с онкогематологическими заболеваниями

Цель исследования – разработка и валидация модели прогнозирования антрациклин-индуцированной кардиотоксичности (АИК) у пациентов с онкогематологическими заболеваниями. Задача решалась в два этапа: сравнительный анализ эффективности различных алгоритмов машинного обучения для выбора наиболее точной и устойчивой модели; идентификация наиболее значимых клинико-инструментальных предикторов на основе лучшей из протестированных моделей.

Материал и методы. В проспективное исследование включено 155 пациентов (возраст 18–74 года) с онкогематологическими заболеваниями, получавших антрациклины. Анализировались клинические данные, уровни биомаркеров (NT-proBNP, тропонин I) и эхокардиографические параметры диастолической функции (E', E/E', LAVI). Данные проходили предобработку (стандартизация, one-hot encoding), дисбаланс классов устранялся методом SMOTETomek. Модели обучались и оценивались с использованием 5-кратной стратифицированной кросс-валидации по метрикам F1-меры, AUC-ROC, точности и полноты.

Результаты. Статистически значимыми предикторами АИК явились уровни NT-proBNP (p<0,001), TropI (p=0,004), эхокардиографические параметры E' (p<0,001) и LAVI (p<0,001). Включение возраста и соотношения E/E' дополнительно улучшило прогностическую ценность моделей. Логистическая регрессия продемонстрировала наилучшую производительность (F1 0,943 ± 0,070, AUC-ROC 0,963 ± 0,051) при идеальной точности (1,00 ± 0,00) и высокой полноте (0,90 ± 0,12). Линейный дискриминантный анализ показал сопоставимые результаты (F1 0,921 ± 0,066, AUC-ROC 0,963 ± 0,046). Анализ важности признаков в наиболее эффективных моделях (LogReg, LDA) выявил, что наибольший вклад в прогноз вносит эхокардиографический параметр E'. Линейные модели превзошли более сложные алгоритмы (нейронные сети, ансамблевые методы) в данном исследовании.

Заключение. Линейные модели, в частности логистическая регрессия, показывают высокую точность и надежность в прогнозировании АИК при использовании комбинации биомаркеров и эхокардиографических показателей диастолической функции в качестве предикторов. Данные модели обладают потенциалом для клинического применения с целью стратификации риска и своевременного начала кардиопротективной терапии. Необходима дальнейшая валидация модели на выборках пациентов из разных медицинских центров.

1. Васюк Ю.А., Школьник Е.Л., Несветов В.В., Школьник Л.Д., Варлан Г.В. Кардиоонкология: современные аспекты профилактики антрациклиновой кардиотоксичности. Кардиология. 2016; 56(12): 72–79. EDN: XIMODJ.

2. Morgillo A., Mazzarella M., Randazzo M.F., Mancino N., Talessi M., Marovino E. Anthracycline Cardiotoxicity: From Mechanisms to Prevention Strategies. J Med – Clin Res Rev. 2023; 7(1): 1–5. doi: 10.33425/2639944X.1309.

3. Valcovici M., Andrica F., Serban C., Dragan S. Cardiotoxicity of anthracycline therapy: current perspectives. Arch Med Sci. 2016; 12(2): 428–35. doi: 10.5114/aoms.2016.59270.

4. Narezkina A., Narayan H.K., Zemljic-Harpf A.E. Molecular mechanisms of anthracycline cardiovascular toxicity. Clin Sci (Lond). 2021; 135(10): 1311–32. doi: 10.1042/CS20200301.

5. Agunbiade T.A., Zaghlol R.Y., Barac A. Heart Failure in Relation to Anthracyclines and Other Chemotherapies. Methodist DeBakey Cardiovasc J. 2019; 15(4): 243–49. doi: 10.14797/mdcj-15-4-243.

6. Sobczuk P., Czerwińska M., Kleibert M., Cudnoch-Jędrzejewska A. Anthracycline-induced cardiotoxicity and renin-angiotensin-aldosterone system-from molecular mechanisms to therapeutic applications. Heart Fail Rev. 2022; 27(1): 295–319. doi: 10.1007/s10741-020-09977-1.

7. Idrees I., Ahmad R., Nadeem M., Khan A., Gilani A., Khattak R. Antracycline Induced Early Onset Chronic Cardiotoxicity in Cancer Patients. Pak Armed Forces Med J. 2024; 74(6): 1492–95. doi: 10.51253/pafmj.v74i2.6795.

8. Tariq M., Ibrahim M., Khan S.R., Baloch S.S., Shahzadi M., Rashid Y.A., Zahid M.J., Khan M.D. Frequency of Cardiac-Toxicity in Patient Treated with Anthracycline, An Institutional Perspective. Pak J Med Health Sci. 2022; 16(4): 488. doi: 10.53350/pjmhs22164488.

9. Lotrionte M., Biondi-Zoccai G., Abbate A., Lanzetta G., D’Ascenzo F., Malavasi V., Peruzzi M., Frati G., Palazzoni G. Review and meta-analysis of incidence and clinical predictors of anthracycline cardiotoxicity. Am J Cardiol. 2013; 112(12): 1980–84. doi: 10.1016/j.amjcard.2013.08.026.

10. Sawaya H., Sebag I.A., Plana J.C., Januzzi J.L., Ky B., Tan T.C., Cohen V., Banchs J., Carver J.R., Wiegers S.E., Martin R.P., Picard M.H., Gerszten R.E., Halpern E.F., Passeri J., Kuter I., Scherrer-Crosbie M. Assessment of echocardiography and biomarkers for the extended prediction of cardiotoxicity in patients treated with anthracyclines, taxanes, and trastuzumab. Circ Cardiovasc Imaging. 2012; 5(5): 596–603. doi: 10.1161/CIRCIMAGING.112.973321.

11. Bhagat A.A., Kalogeropoulos A.P., Baer L., Lacey M., Kort S., Skopicki H.A., Butler J., Bloom M.W. Biomarkers and Strain Echocardiography for the Detection of Subclinical Cardiotoxicity in Breast Cancer Patients Receiving Anthracyclines. J Pers Med. 2023; 13(12): 1710. doi: 10.3390/jpm13121710.

12. Gulati G., Zhang K.W., Scherrer-Crosbie M., Ky B. Cancer and cardiovascular disease: the use of novel echocardiography measures to predict subsequent cardiotoxicity in breast cancer treated with anthracyclines and trastuzumab. Curr Heart Fail Rep. 2014; 11(4): 366–73. doi: 10.1007/s11897-014-0214-8.

13. Zhang L., Zhang R., Shuai P., Chen J., Yin L. A global case metaanalysis of three-dimensional speckle tracking for evaluating the cardiotoxicity of anthracycline chemotherapy in breast cancer. Front Cardiovasc Med. 2022; 9: 942620. doi: 10.3389/fcvm.2022.942620.

14. Wei X., Lin L., Zhang G., Zhou X. Cardiovascular Magnetic Resonance Imaging in the Early Detection of Cardiotoxicity Induced by Cancer Therapies. Diagnostics (Basel). 2022; 12(8): 1846. doi: 10.3390/diagnostics12081846.

15. Musella F., Librera M., Sibilio G., Boccalatte M., Tagliamonte G., Cavaglià E., Ferrara I., Puglia M., Dell’Aversana S., Ducci C.B., Dellegrottaglie S., Savarese G., Scatteia A. Cardiovascular magnetic resonance parametric techniques to characterize myocardial effects of anthracycline therapy in adults with normal left ventricular ejection fraction: a systematic review and meta-analysis. Curr Probl Cardiol. 2024; 49(7): 102609. doi: 10.1016/j.cpcardiol.2024.102609.

16. Stevens P.L., Lenihan D.J. Cardiotoxicity due to Chemotherapy: the Role of Biomarkers. Curr Cardiol Rep. 2015; 17(7): 603. doi: 10.1007/s11886-015-0603-y.

17. Díaz-Antón B., Madurga R., Zorita B., Wasniewski S., MorenoArciniegas A., López-Melgar B., Ramírez Merino N., Martín-Asenjo R., Barrio P., Amado Escañuela M.G., Solís J., Parra Jiménez F.J., Ciruelos E., Castellano J.M., Fernández-Friera L. Early detection of anthracyclineand trastuzumab-induced cardiotoxicity: value and optimal timing of serum biomarkers and echocardiographic parameters. ESC Heart Fail. 2022; 9(2): 1127–37. doi: 10.1002/ehf2.13782.

18. Stolojanu C., Steflea R., Micsescu-Olah A.M., Alexandra I., Popoiu A., Doros G. Combined Utility of Speckle Tracking Echocardiography and Cardiac Biomarkers for Early Detection of Anthracycline-Induced Cardiotoxicity in Pediatric Oncology Patients. Biomedicines. 2024; 12(12): 2849. doi: 10.3390/biomedicines12122849.

19. Mahjoob M.P., Sheikholeslami S.A., Dadras M., Mansouri H., Haghi M., Naderian M., Sadeghi L., Tabary M., Khaheshi I. Prognostic Value of Cardiac Biomarkers Assessment in Combination with Myocardial 2D Strain Echocardiography for Early Detection of Anthracycline-Related Cardiac Toxicity. Cardiovasc Hematol Disord Drug Targets. 2020; 20(1): 74–83. doi: 10.2174/1871529X19666190912150942.

20. Horacek J.M., Vasatova M., Pudil R., Tichy M., Zak P., Jakl M., Jebavy L., Maly J. Biomarkers for the early detection of anthracycline-induced cardiotoxicity: current status. Biomed Pap Med Fac Univ Palacky Olomouc Czech Repub. 2014; 158(4): 511–17. doi: 10.5507/bp.2014.004.

21. Feng W., Wang Q., Tan Y., Qiao J., Liu Q., Yang B., Yang S., Cui L. Early detection of anthracycline-induced cardiotoxicity. Clin Chim Acta. 2025; 565: 120000. doi: 10.1016/j.cca.2024.120000.

22. Murtagh G., Januzzi J.L., Scherrer-Crosbie M., Neilan T.G., Dent S., Ho J.E., Appadurai V., McDermott R., Akhter N. Circulating Cardiovascular Biomarkers in Cancer Therapeutics-Related Cardiotoxicity: Review of Critical Challenges, Solutions, and Future Directions. J Am Heart Assoc. 2023; 12(21): e029574. doi: 10.1161/JAHA.123.029574.

23. Liu Z., Wang Y., Huang X., Qi X., Qian C., Zhao S. Development and Validation of a Diagnostic Nomogram to Predict the AnthracyclineInduced Early Cardiotoxicity in Children with Hematological Tumors. Cardiovasc Toxicol. 2022; 22(9): 802–12. doi: 10.1007/s12012-02209755-5.

24. Gómez-Vecino A., Corchado-Cobos R., Blanco-Gómez A., GarcíaSancha N., Castillo-Lluva S., Martín-García A., Mendiburu-Eliçabe M., Prieto C., Ruiz-Pinto S., Pita G., Velasco-Ruiz A., Patino-Alonso C., Galindo-Villardón P., Vera-Pedrosa M.L., Jalife J., Mao J.-H., Macías de Plasencia G., Castellanos-Martín A., Sáez-Freire M.D.M., FraileMartín S., Rodrigues-Teixeira T., García-Macías C., Galvis-Jiménez J.M., García-Sánchez A., Isidoro-García M., Fuentes M., García-Cenador M.B., García-Criado F.J., García-Hernández J.L., Hernández-García M.Á., Cruz-Hernández J.J., Rodríguez-Sánchez C.A., García-Sancho A.M., Pérez-López E., Pérez-Martínez A., Gutiérrez-Larraya F., Cartón A.J., García-Sáenz J.Á., Patiño-García A., Martín M., Alonso-Gordoa T., Vulsteke C., Croes L., Hatse S., Van Brussel T., Lambrechts D., Wildiers H., Hang C., Holgado-Madruga M., González-Neira A., Sánchez P.L., Pérez Losada J. Intermediate Molecular Phenotypes to Identify Genetic Markers of Anthracycline-Induced Cardiotoxicity Risk. Cells. 2023; 12(15): 1956. doi: 10.3390/cells12151956.

25. Sharafeldin N., Zhou L., Singh P., Crossman D.K., Wang X., Hageman L., Landier W., Blanco J.G., Burridge P.W., Sapkota Y., Yasui Y., Armstrong G.T., Robison L.L., Hudson M.M., Oeffinger K., Chow E.J., Armenian S.H., Weisdorf D.J., Bhatia S. Gene-Level Analysis of Anthracycline-Induced Cardiomyopathy in Cancer Survivors: A Report From COG-ALTE03N1, BMTSS, and CCSS. JACC CardioOncol. 2023; 5(6): 807–18. doi: 10.1016/j.jaccao.2023.06.007.

26. Jacquemyn X., Chinni B.K., Barnes B.T., Rao S., Kutty S., Manlhiot C. Unsupervised machine learning identifies distinct phenotypes in cardiac complications of pediatric patients treated with anthracyclines. Cardiooncology. 2024; 10(1): 74. doi: 10.1186/s40959-024-00276-4.

27. Yagi R., Goto S., Himeno Y., Katsumata Y., Hashimoto M., MacRae C.A., Deo R.C. Artificial intelligence-enabled prediction of chemotherapy-induced cardiotoxicity from baseline electrocardiograms. Nat Commun. 2024; 15(1): 2536. doi: 10.1038/s41467-024-45733-x.

28. Zhou Y., Hou Y., Hussain M., Brown S., Budd T., Tang W.H.W., Abraham J., Xu B., Shah C., Moudgil R., Popovic Z., Cho L., Kanj M., Watson C., Griffin B., Chung M.K., Kapadia S., Svensson L., Collier P., Cheng F. Machine Learning-Based Risk Assessment for Cancer TherapyRelated Cardiac Dysfunction in 4300 Longitudinal Oncology Patients. J Am Heart Assoc. 2020; 9(23): e019628. doi: 10.1161/JAHA.120.019628.

29. Artico J., Abiodun A., Shiwani H., Kurdi H., Chen D., Tyebally S., Moon J.C., Westwood M., Manisty C.H. Multimodality Imaging for Cardiotoxicity: State of the Art and Future Perspectives. J Cardiovasc Pharmacol. 2022; 80(4): 547–61. doi: 10.1097/FJC.0000000000001281.

30. Taruna R.N., Wihandono A., Budiarto R.M. Cardiac Function in Breast Cancer Patients Undergoing Anthracycline Chemotherapy: A Comprehensive Review of Mechanisms, Monitoring, and Management Strategies. Int J Sci Adv. 2024; 5(6): 1565–72. doi: 10.51542/ijscia.v5i6.85.

31. Chang W.T., Liu C.F., Feng Y.H., Liao C.T., Wang J.J., Chen Z.C., Lee H.C., Shih J.Y. An artificial intelligence approach for predicting cardiotoxicity in breast cancer patients receiving anthracycline. Arch Toxicol. 2022; 96: 2731–37. doi: 10.1007/s00204-022-03341-y.

32. Zhou X., Weng Y., Jiang T., Ou W., Zhang N., Dong Q., Tang X. Influencing factors of anthracycline-induced subclinical cardiotoxicity in acute leukemia patients. BMC Cancer. 2023; 23(1): 976. doi: 10.1186/s12885-023-11060-5.