Strategische Herausforderungen für Kunden
Eine von der NIH finanzierte Studie hat gezeigt, dass 40 Prozent der Patienten mit seltenen Krankheiten falsch diagnostiziert werden, bevor die eigentliche Ursache ihrer Krankheit festgestellt wird.1 Außerdem verbringt mehr als die Hälfte dieser Gruppe fünf bis 30 Jahre auf einem chaotischen Weg durch zahlreiche Überweisungen, bevor ein Arzt die richtige Diagnose stellt.1
Um ein besseres Verständnis von seltenen Krankheiten zu erlangen, von denen einige so selten sind, dass sie nicht einmal einen Namen haben, darunter verschiedene Krebsarten, wenden sich die Forscher dem menschlichen Genom zu. Ihre Arbeit hilft Onkologen und anderen Ärzten, schnellere Diagnosen zu stellen und wirksame Behandlungen zu verordnen. Dank der geringeren Kosten für den Rechenbetrieb und andere Entwicklungen wird diese Form der personalisierten Medizin für eine verbreitete Anwendung praktikabler und wirtschaftlicher.
Das gemeinnützige Translational Genomics Research Institute (TGen), eine Tochtergesellschaft von City of Hope, wendet Technologien auf das menschliche Genom an. Ihr Ziel: Ärzte und Wissenschaftler dabei zu unterstützen, Entdeckungen schneller in den klinischen Bereich vorzurücken, um Krankheiten aufgrund der zugrunde liegenden genetischen Ursachen besser zu diagnostizieren, zu behandeln, zu heilen und zu verhindern.
In Zusammenarbeit mit Dell Technologies und Intel hat TGen eine High-Performance-Computing (HPC)-Infrastuktur aufgebaut, die für die Biowissenschaften optimiert ist. Dazu gehören skalierbare Intel® Xeon® Prozessoren und Dell Rack-Server wie die PowerEdge R640 und C4140 Server sowie das PowerEdge M1000e Blade-Gehäuse. Außerdem nutzt die HPC-Infrastruktur den Intel® Optane™ Speicher, der die Speicherkapazität und die Systembeschleunigung erhöht. Diese Partnerschaft, die über die Hardware hinausgehend die Problemlösung durch engagierte Ingenieure bei Intel und Dell Technologies umfasst, hat den Prozess beschleunigt und dazu beigetragen, Leben zu retten.
Die nächste Phase der Genomik wird sich auf künstliche Intelligenz (KI) stützen und sowohl die Geschwindigkeit als auch die Effizienz steigern. Dies erfordert jedoch exponentiell mehr Daten und eine schnellere Rechenleistung. Mithilfe des Scale-up-Ansatzes durch KI können jedoch deutlich mehr Menschen von genomisch gesteuerter, personalisierter Medizin profitieren.
Das Bedürfnis nach Geschwindigkeit
Sieben Stunden. So lange dauert es heute, eine Genomprobe zu verarbeiten, um die Ursache der Krankheit eines Patienten zu verstehen und eine Behandlungsmethode zu entwickeln. Aber es ging nicht immer so schnell.
Als TGen 2008 erstmals NGS (Next Generation Sequencing, Sequenziermethoden der nächsten Generation) einführte, nahm die Verarbeitung durch einen Supercomputer ungefähr zwei Wochen in Anspruch – eine Ewigkeit für die Verwendung in einer klinischen Umgebung. So musste ein neuer Patient nicht nur zwei Wochen auf die Sequenzierung seines Genoms warten, sondern sich zudem hinter all den anderen wartenden Patienten anstellen.
Dieser Mangel an Optimierung führte zu Gesprächen zwischen TGen, Dell Technologies und Intel, die 2012 zur Gründung eines HPC-Projekts führten. Intel und Dell leisteten Sacheinlagen, und Ingenieure beider Unternehmen stellten ihre Zeit für die Schaffung einer optimierten Plattform bei TGen zur Verfügung, die speziell für die schnelle Verarbeitung von NGS-Proben entwickelt wurde (Abbildung 1).
Bei der Beschreibung der für diese Methode gut geeigneten Patiententypen sagte Dr. Nicholas Schork, Dozent und Leiter der Abteilung für quantitative Medizin und Systembiologie bei TGen: „Jedes Krankenhaus hat Patienten, die die Ärzte verblüffen. Diese Patienten weisen schwere, kräftezehrende Leiden auf und werden von einer Reihe von Ärzten untersucht. Aber nur selten erkennen sie die Ursache oder legen einen wirksamen Behandlungsplan fest.“
Abbildung 1. Die Zusammenarbeit zwischen Intel, Dell und TGen hat die DNA-Sequenzierung durch eine Verkürzung der Verarbeitungszeit transformiert.2
Genomische Daten liefern eine Grundlage für die Behandlung
Die Genomsequenzierung kann zur Identifizierung einer Anomalie in der DNA des Patienten beitragen, die Aufschluss über diese ansonsten unbekannten Leiden geben könnte. Beispielsweise könnte in der DNA im Tumor eines Krebspatienten ein Gen fehlen, das eine bestimmte Aufgabe erfüllt, um das Wachstum eines Krebses zu verhindern. „Diese Daten können einen Ausgangspunkt für die molekulare Pathologie liefern, die das Wachstum des Tumors fördert“, so Dr. Schork, „und eingrenzen, welche Medikamente genomisch auf den Tumor abzielen können.“
Dies kann Onkologen bei der Behandlung von Patienten mit Neuroblastom helfen, einem tödlichen, aggressiven Krebs, der das Nervensystem von Säuglingen und Kleinkindern angreift. Mit ungefähr 800 neuen Fällen pro Jahr ist es die häufigste Krebsart bei Säuglingen in den Vereinigten Staaten.3 Die erste medizinische Präzisionsstudie mit Kindern, in der diese Techniken zur Behandlung betroffener Kinder zum Einsatz kamen, wurde im Helen DeVos Children’s Hospital in Grand Rapids, Michigan, durchgeführt.
Technologie öffnet die Türen und gewährt Einblick
Beim Aufbau seiner HPC-Infrastruktur suchte TGen nach Technologiepartnern, deren Arbeit auf diesem Gebiet sich ständig weiterentwickeln würde. Dies sollte zur Gewährleistung der Kompatibilität beitragen, sodass neue Komponenten hinzugefügt werden könnten, ohne dass die Lösung von Grund auf neu erstellt werden müsste. Das Lösungsdesign berücksichtigte auch Rechenleistung, Datenspeicher, Netzwerktechnik und Software.
„Sowohl Intel als auch Dell setzen sich weiterhin für das Ziel ein, die menschliche Gesundheit mit TGen zu verbessern“, so Dr. Schork. „Wir planen die nächste Generation unseres Systems und ihre Ingenieure helfen uns bei der Lösung unserer Datenverarbeitungs- und Durchsatzprobleme.“
Die Zusammenarbeit mit Intel und Dell Technologies ermöglicht TGen Folgendes:
- Konzentration seiner Ressourcen auf F&E, nicht auf eine komplexe Infrastruktur
- Optimierung genomischer Pipelines für schnelle Ergebnisse
- Identifizierung von Anwendungen in klinisch relevanten Zeitrahmen
- Reduzierung von Kosten und Steigerung der Wirksamkeit von Bioinformatik
- Einhaltung der Vorschriften und Schutz vertraulicher Daten
Adressierung der breiten Öffentlichkeit
Das Ziel von TGen besteht weiterhin darin, Behandlungen für seltene Krankheiten zu entdecken, jedoch kommt seine Arbeit der allgemeinen Bevölkerung zugute. In der Vergangenheit war der limitierende Faktor die Zeit, die für die Datenverarbeitung benötigt wurde. Diese Zeit wurde nun drastisch verkürzt.
„Bislang mussten wir sehr selektiv vorgehen“, so Dr. Schork. „Das bedeutete, dass wir nicht alle Möglichkeiten verfolgen konnten. Mit der Verbesserung der Sequenzierungstechnologie sind die Kosten jedoch erheblich gesunken. Jetzt können wir die DNA-Sequenz eines einzelnen Patienten mit der DNA größerer Gruppen vergleichen.“
TGen kann jetzt große Datenpools untersuchen, um sehr kleine Zusammenhänge in der Art und Weise zu finden, wie mehrere Personen mit ähnlichen, schwer zu behandelnden Krankheiten eine gemeinsame Genanomalie aufweisen. Durch eine zentrale Hochskalierung der Menge an Daten, die analysiert werden können, um Zusammenhänge herzustellen, ist es möglich, DNA aus einer Biopsie des Tumors eines Patienten zu sequenzieren, um die genomischen Läsionen zu identifizieren, die zu seinem Wachstum beitragen, und dann die medikamentöse Behandlung anzupassen, um diese einzigartigen Mutationssätze zu bekämpfen.
Durch die Umstellung auf diese Diagnose- und Behandlungsmethode können Onkologen die Kombination von Arzneimitteln verschreiben, die den größten Nutzen bringen, während diejenigen vermieden werden, die wahrscheinlich unwirksam sind. Dies kann zu einer effektiveren Behandlung mit weniger Nebenwirkungen führen.
Künstliche Intelligenz bietet erweiterte Behandlungsmöglichkeiten
Die Anzahl möglicher Übereinstimmungen zwischen verschiedenen Medikamenten und genomischen Veränderungen ist enorm. Aus diesem Grund ist TGen bestrebt, eine Infrastruktur aufzubauen, die sich aus Expertenwissen in Kombination mit groß angelegter Computertechnik in Bezug auf Patienten-DNA zusammensetzt. Diese kann verwendet werden, um die Arbeit von Onkologen und anderen Ärzten im Zusammenhang mit der Personalisierung der Behandlung zu verbessern.
Mithilfe von maschinellem Lernen suchen die Wissenschaftler von TGen nach Mustern in der Patienten- und Tumor-DNA, um Modelle zu erstellen, die Ärzte bei ihrer Entscheidungsfindung unterstützen können. Um dies zu erreichen, sind jedoch riesige Datenmengen und die Fähigkeit zum Speichern, Analysieren und Erkennen von Anomalien erforderlich.
Da HPC von Intel und Dell Technologies diese Prozesse in Zukunft verbessert, wird es für jeden, bei dem Krebs oder andere schwere Erkrankungen diagnostiziert werden, zur Routine, sein Genom sequenzieren zu lassen. Die Forschung, Behandlung und Technologie, die diese lebensrettenden Techniken vorantreiben, werden zur Demokratisierung der personalisierten Medizin beitragen, sodass mehr Patienten davon profitieren und mehr Ärzte Leben retten können.
Wie Intel und Dell Technologies den Weg weisen
Intel und Dell Technologies treiben gemeinsam Innovationen und Funktionsweisen der nächsten Generation mithilfe des umfassendsten Portfolios an bewährten Client- und Unternehmenslösungen für das Cloud- und Daten-Management voran, sodass Unternehmen schneller, innovativer und effizienter werden.
Bryce Olson
Krebsüberlebender/Krebspatient
Für Bryce Olson, Marketingstratege bei Intel, würde eine herkömmliche Behandlung das Wachstum seines aggressiven fortgeschrittenen metastatischen Prostatakrebses nicht stoppen. Seine Lebenserwartung ist begrenzt, aber er ist noch nicht zu krank, um zu arbeiten; darum bat er um eine Versetzung in die Intel Gesundheitsgruppe.
Dort erfuhr Bryce von der Arbeit von Intel mit Krankenhäusern und Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Genomik und Präzisionsmedizin. Die Vorstellung, dass die Sequenzierung der DNA eines Patienten zu einer vollständigeren Diagnose und neuen Behandlungsoptionen führen könnte, veranlasste Bryce, sein Genom sequenzieren zu lassen.
Die Daten zeigten, dass der Krebs bei Bryce auf einem bestimmten Weg wuchs. Mit diesen Informationen nahm Bryce an einer klinischen Studie mit einem neuen Medikament zur Hemmung dieses bestimmten Krebses teil.
Der Krebs von Bryce sprach auf diese neue Behandlung an. Er ist in Remission und ist zu einem Fürsprecher der genomisch gesteuerten Präzisionsmedizin geworden. Wenn der Krebs von Bryce jedoch wieder zu wachsen beginnt, könnte seine größte Hoffnung darin bestehen, Genomaufzeichnungen zu durchsuchen, um Patienten mit sehr ähnlichen Genomprofilen zu finden, deren Krebs mit einer bestimmten Methode gestoppt wurde.
„Die einzige Möglichkeit, Patienten wie mich langfristig zu behandeln, besteht darin, mithilfe von KI Daten zu sammeln und zu analysieren“, so Bryce. Um Onkologen bei der Behandlung von Patienten mit seltenen Krebsarten zu unterstützen, kann KI enorm große Datenmengen auf eine Weise verarbeiten, die für Menschen unmöglich ist. Dadurch können Muster identifiziert und Einblicke gewonnen werden, die Wissenschaftlern und Ärzten entgangen waren.
Heute ist Bryce ein globaler Stratege bei der Health and Life Sciences Group von Intel. Außerdem hat er eine von Patienten geführte Bewegung namens Sequence Me ins Leben gerufen, um anderen fortgeschrittenen Krebspatienten auf dem Weg zur Präzisionsmedizin zu helfen.
Über TGen, eine Tochtergesellschaft von City of Hope
Das Translational Genomics Research Institute (TGen) ist eine gemeinnützige Organisation mit Sitz in Phoenix, Arizona, die sich der Durchführung bahnbrechender Forschung mit lebensverändernden Ergebnissen widmet. TGen steht mit City of Hope in Verbindung, einem weltbekannten unabhängigen Forschungs- und Behandlungszentrum für Krebs, Diabetes und andere lebensbedrohliche Krankheiten. Diese Verbindung zur Präzisionsmedizin ermöglicht es beiden Instituten, sich in Sachen Forschung und Patientenversorgung zu ergänzen, wobei City of Hope einen bedeutenden klinischen Rahmen bietet, um die wissenschaftlichen Entdeckungen von TGen voranzutreiben. TGen konzentriert sich auf die Unterstützung von Patienten mit neurologischen Störungen, Krebs, Diabetes und Infektionskrankheiten durch hochmoderne translationale Forschung (der Prozess des schnellen Vorantreibens der Forschung in Richtung Patientennutzen). Die Ärzte und Wissenschaftler von TGen arbeiten daran, die genetischen Komponenten sowohl häufiger als auch komplexer seltener Krankheiten bei Erwachsenen und Kindern zu entschlüsseln. TGen arbeitet mit Mitarbeitern aus Wissenschaft und Medizin weltweit zusammen und leistet einen wesentlichen Beitrag zur Unterstützung unserer Patienten durch Effizienz und Effektivität des Translationsprozesses. Weitere Informationen siehe tgen.org.
Weitere Informationen
Weitere Informationen über die Arbeit von Intel im Gesundheitswesen und der Life-Science-Branche finden Sie unter intel.com/healthcare/bigdata.