Die Experten des Digital Health Center des Berlin Institute of Health in der Charité (BIH) stehen bei der Erforschung von Covid-19 an vorderster Front. Mit Hilfe der Genom-Sequenzierung wollen sie Hochrisikopatienten identifizieren und gezielte Behandlungstherapien entwickeln. Für die Analyse und Verarbeitung der enormen Datenmengen setzen die Wissenschaftler des BIH auf eine HPC-Lösung von Dell Technologies. Die Covid-19-Forschung ist dabei nur eines von drei Projekten, bei denen das Unternehmen mit dem BIH und der Charité – Universitätsmedizin Berlin zusammenarbeitet.

Wissenschaftler rund um den Globus arbeiten daran, den SARS‐CoV‐2-Virus besser zu verstehen: Welche Zelltypen greift es an? Lässt sich das Virus sogar „verwirren“, damit es Zellen nicht mehr erfolgreich infizieren kann? Wie kann die Mutationsdetektion effizienter gestaltet werden? Und wie kann verhindert werden, dass SARS-CoV-2-Mutanten die Immunreaktion unterlaufen? Eine zentrale Rolle bei der Beantwortung solcher Fragen nimmt die Einzelzell-RNA-Sequenzierung ein, um z.B. herauszufinden, welche Zellen der Lunge und der Bronchien Ziel einer Covid-19-Infektion sind. 

HPC-Cluster für Sequenzierung

Die Sequenzierung der RNA einer einzelnen Zelle dauert ungefähr einen Tag. Die nachfolgende Datenanalyse ist äußert rechenintensiv und sehr komplex. An der Charité ist die mit Komponenten von Dell Technologies ausgestattete, hochaufgerüstete IT-Infrastruktur zwar sehr leistungsfähig, mit den aktuellen wissenschaftlichen KI-Berechnungen und Datenanalysen allerdings schon jetzt gut ausgelastet. Um den vermehrten Anforderungen gerecht zu werden und schnelle wissenschaftliche Ergebnisse in Covid-19-Datenanalysen zu erzeugen, hat das Digital Health Center des BIH in der Charité seinen HPC-Cluster mit acht EMC PowerEdge R740xd Rack-Servern des Herstellers erweitert. Diese sind jeweils mit zwei Intel Xeon Gold 6252 CPUs (24 Kerne, 2,1 GHz) ausgestattet und wurden vom Systemintegrator System Vertrieb Alexander (SVA) aus Wiesbaden implementiert. Linear zur Anzahl der Knoten und dank optimierter Abläufe skalierte auch die Anzahl der in einem bestimmten Zeitraum analysierbaren Zellen erheblich – die BIH-Experten können jetzt deutlich schneller erforschen, wie Wirtszellen auf eine Infektion reagieren, und so Erkenntnisse dazu liefern, wie das Virus aufgehalten oder zumindest eingebremst werden kann.

„Je besser die Forscher die Wechselwirkungen zwischen dem Virus und dem menschlichen Körper durchschauen, desto besser sind sie in der Lage, den Krankheitsverlauf von Covid-19-Patienten zu verstehen und neue Strategien und Therapien zur Bekämpfung des SARS-CoV-2-Virus zu entwickeln. Die Lösungen des Anbieters sind den Experten dabei eine große Hilfe, um einerseits die enormen Datenmengen, die bei der Genom-Sequenzierung anfallen, zu verarbeiten, und andererseits die Forschungsergebnisse über die entsprechenden Plattformen bereitzustellen“, erklärt Jürgen Eils, Head of Health Data Groups im Digital Health Center des BIH und dem Universitätsklinikum Heidelberg. 

Appliance für die Übersetzung von Daten in genetischen Code

Im Rahmen des Medizininformatik-Konsortiums HiGHmed arbeiten das BIH, Dell Technologies und SVA darüber hinaus an der Entwicklung einer sofort einsatzbereiten Appliance. HiGHmed bündelt und integriert Kompetenzen von neun Universitätskliniken und medizinischen Fakultäten sowie Partnern aus Wissenschaft und Industrie mit dem Ziel, innovative Informationsinfrastrukturen zu entwickeln und so einen schnelleren Transfer von Ergebnissen aus der Forschung in die klinische Praxis zu ermöglichen. Im Rahmen des HiGHmed-Projekts Omics Data Integration Center (omicsDIC), in dem verschiedene Daten aus den Bereichen Genomic, Transcriptomic und anderen Omics (Oberbegriff für Molekularbiologie)-Verfahren lokal geladen, integriert und ausgewertet werden, wird es künftig eine Appliance-Lösung geben. Diese „übersetzt“ die Rohdaten der Sequenzierung in einen für den Wissenschaftler nutzbaren genetischen Code.

Künstliche Intelligenz für die digitale Pathologie

Zudem kooperiert Unternehmen mit dem bundesweiten EMPAIA-Konsortium bei der Nutzung Künstlicher Intelligenz für die histopathologische Diagnostik. EMPAIA wird vom Institut für Pathologie an der Charité Universitätsmedizin koordiniert und verfolgt das Ziel, Ärzten den Einsatz von validierten und zertifizierten KI-Lösungen routinemäßig zu ermöglichen. „Dazu mussten die bisher rein analogen Prozesse und Verfahren nicht nur digitalisiert, sondern auch um KI-Technologien erweitert werden. Digitale Bilder eignen sich besonders gut für die Analyse mit neuronalen Netzen“, so EMPAIA-Projektkoordinator Peter Hufnagl. Eine große Herausforderung stellen auch die Speicherung der Daten im Petabyte-Bereich und der Datenaustausch zwischen den einzelnen Partnern dar. Das Unternehmen begleitet das Projekt in den Punkten KI, Storage und Datenintegration.

„Daten sind längst der Rohstoff für die Medizin der Zukunft. Gleichzeitig stellt diese Big Data einen riesigen Wissens- und Erfahrungsspeicher dar. Um ihn nutzen zu können, müssen Daten über die Grenzen von Institutionen hinweg harmonisiert, in computerlesbare Informationen verwandelt und über sichere Infrastrukturen miteinander vernetzt werden“, betont Marten Neubauer, Field Director Healthcare bei Dell Technologies Deutschland. „Dank der engen Zusammenarbeit mit Partnern konnten wir den Experten des Berlin Institute of Health und der Charité – Universitätsmedizin Berlin für die verschiedensten Projekte Rechen- und Speichersysteme, die besonders leistungsfähig und gleichzeitig kosteneffizient sind, bereitstellen.“