Mit Künstlicher Intelligenz personalisiert gegen Krebs

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Rund eine halbe Million Menschen erkranken jedes Jahr an Krebs, Tendenz
steigend. Immer bessere Diagnosemöglichkeiten machen jedoch deutlich, dass
Krebs eine höchstindividuelle Krankheit ist und jede Patientin und jeder
Patient eine auf sie oder ihn persönlich zugeschnittene Therapie braucht.
Um dies zu ermöglichen, nehmen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am
Berlin Instiute of Health (BIH) in verschiedenen Projekten die Hilfe von
künstlicher Intelligenz (KI) in Anspruch.

So können sie einzelne Krebszellen mit höchster Detailschärfe
charakterisieren, die passenden Medikamente für Patient*innen auswählen
und eine Krankenakte speziell für Krebspatient*innen entwickeln, die sie
auf ihrem oft langen Krankheitsweg begleitet und alle Krankheits- und
Behandlungsdaten aufnimmt.

Professorin Angelika Eggert, Direktorin der Kinderklinik der Charité mit
Schwerpunkt Onkologie und Hämatologie, ist Sprecherin der
Forschungsplattform „Multi-Omics“ des BIH: „Hier können wir mithilfe neuer
molekularer Technologien Tumoren schon heute sehr präzise bis auf die
Ebene einzelner Zellen charakterisieren.“ So kann das komplette Erbgut der
Zellen entschlüsselt, sämtliche Proteine charakterisiert, der Stoffwechsel
der Zellen verfolgt und Biomarker oder Oberflächenmoleküle entdeckt
werden. Dabei fallen natürlich riesige Datenmengen an. „Um diese Daten zu
erfassen und daraus die richtigen Schlüsse zu ziehen braucht man natürlich
auch die künstliche Intelligenz,“ sagt Angelika Eggert.

Die Analyse dieser molekularen Daten zu einem Tumor geben Auskunft
darüber, welche molekularen Ziele für eine Therapie möglich wären. Zudem
können die Wissenschaftler*innen das individuelle Rückfallrisiko des
Patienten oder der Patientin berechnen und daraufhin die Aggressivität der
Therapie anpassen. „Oder wir versuchen, den Patienten auch neue
experimentelle Therapien anzubieten, gerade wenn das Risiko sehr hoch
ist,“ sagt Angelika Eggert. Dieses aufwändige Vorgehen eignet sich nicht
für jede Krebsdiagnose. „Da geht es um die Patienten, denen wir bisher
nicht effektiv helfen konnten, bei denen wir also zusätzlichen Aufwand,
auch unter Zuhilfenahme der Künstlichen Intelligenz, betreiben müssen.“

Organoide aus Krebsstammzellen

Die Wissenschaftler*innen um Dr. Christian Conrad vom BIH Centrum für
Digitale Medizin untersuchen primäre Gewebeproben von herausoperierten
Tumoren. „Das sind oft nur sehr geringe Mengen, das reicht nicht aus, um
daran 50 verschiedene Medikamente auf ihre Wirkung zu testen“, erklärt der
Biologe. „Wir züchten daher aus den im Gewebe enthaltenen Stammzellen
kleine dreidimensionale Gewebestückchen, so genannte Organoide, an denen
wir die Tests durchführen können. Unter dem Mikroskop können wir dann
beobachten, ob eine Substanz den Tumor zum Schrumpfen gebracht hat, ob sie
Tumorzellen abtötet oder keine Wirkung zeigt.“

Weil es aber so viele Proben sind, die getestet werden müssen, arbeiten
die Forscher*innen daran, das Verfahren zu automatisieren: „Wir verwenden
Kulturplatten, auf denen 100 Organoide gleichzeitig Platz finden. Diese
werden automatisch unter dem Mikroskop analysiert und die Daten direkt im
Computer ausgewertet. Unser Ziel ist es, Modelle zu entwickeln, die
Auskunft darüber geben können, welches Medikament bei welchem
Patiententumor die beste Wirkung gezeigt hat“, erzählt Conrad.

Parallel dazu analysieren die Wissenschaftler auch die genetische
Expression der Mini-Tumoren. Darüber erhalten sie Auskunft, welche
genetischen Veränderungen im Tumor enthalten sind und können Vorhersagen
treffen, welche zielgerichteten Medikamente am wahrscheinlichsten gegen
die Tumorzellen aktiv sind. „Meist stimmt unsere Vorhersage anhand der
Sequenzierdaten mit der Beobachtung unter dem Mikroskop überein, manchmal
aber auch nicht“, berichtet Christian Conrad. „Wir wollen herausfinden,
wie die Morphologie, also das Aussehen der Organoide, und die
Genexpression zusammenhängen.“

„Unser Ziel ist es, verschiedenen Krebspatienten eine möglichst wirksame
und nebenwirkungsarme Therapie anbieten zu können“, sagt Professor Roland
Eils, Gründungsdirektor des BIH Zentrums für Digitale Gesundheit. „Und in
Zukunft möchten wir das Verfahren so weiter entwickeln, dass wir es für
möglichst viele Krebsarten einsetzen können.“

Eine elektronische Krankenakte für Krebspatient*innen

Professorin Sylvia Thun leitet die BIH Core Facility für e-health und
Interoperabilität. Sie möchte eine elektronische Krankenakte für
Krebspatient*innen auf Basis internationaler IT-Standards (FHIR, SNOMED,
LOINC) entwickeln. „Die Patientinnen und Patienten haben ja oft einen
langen Weg durch die verschiedenen Häuser und Praxen. Erst die Diagnose
beim Hausarzt, dann im Krankenhaus nochmal Untersuchungen, Operation und
Bestrahlung, eventuell eine Chemotherapie beim niedergelassenen Onkologen,
danach regelmäßige Nachsorgetermine, und dann kommt womöglich Jahre später
der Tumor zurück.“ In dieser Zeit sammeln sich Untersuchungs- und
Behandlungsergebnisse an, die mehrere Aktenordner füllen können. „Hier
wollen wir die Patientinnen und Patienten entlasten und ihnen ermöglichen,
alle Daten ihrer persönlichen Krankheitsgeschichte in einer elektronischen
Patientenakte zusammenzuführen“, sagt Sylvia Thun.

Das Problem ist, dass die Daten aus Labordiagnostik, Pathologie,
Bildgebung, Gewebeuntersuchung oder Gensequenzierung unterschiedliche
Formate haben, der Behandlungsverlauf und die eingenommenen Medikamente
werden nicht oder in unterschiedlichen Sprachen dokumentiert und wie es
dem Patienten unter der Therapie wirklich geht, müsste er eigentlich
selbst aufzeichnen. „Um die Daten für die Weiterbehandlung oder für die
Forschung nutzen zu können, müssen sie aber in strukturierter Form
vorliegen und idealerweise sowohl menschen- als auch maschinenlesbar sein
“, erklärt Sylvia Thun. „Unser Ziel ist es, alle Krankheitsdaten in
standardisierter Form zu erfassen und so zu strukturieren, dass der
Krebspatient und die Krebspatientin ihre persönlichen Daten in ihrer
elektronischen Patientenakte mitnehmen können und wann und wie sie möchten
ihrem Arzt oder Ärtzin beziehungsweise der Forschung zur Verfügung stellen
können.“ Mithilfe von Künstlicher Intelligenz und internationaler
Netzwerke, die in den standardisierten Sprachen miteinander kommunizieren,
könnte dann sowohl die beste Therapie für den einzelnen Patienten bzw. die
einzelne Patientin gefunden werden. Aus den gemeinsam ausgewerteten Daten
vieler Krebspatient*innen könnten aber auch ganz neue Zusammenhänge
aufgedeckt werden, die zu neuen Behandlungsformen führen könnten.

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Über das Berlin Institute of Health (BIH)
Das Berlin Institute of Health (BIH) ist eine Wissenschaftseinrichtung für
Translation und Präzisionsmedizin. Das BIH widmet sich neuen Ansätzen für
bessere Vorhersagen und neuartigen Therapien bei progredienten
Krankheiten, um Menschen Lebensqualität zurückzugeben oder sie zu
erhalten. Mit translationaler Forschung und Innovationen ebnet das BIH den
Weg für eine nutzenorientierte personalisierte Gesundheitsversorgung. Das
BIH wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung
(BMBF) und zu zehn Prozent vom Land Berlin gefördert. Die
Gründungsinstitutionen Charité – Universitätsmedizin Berlin und Max-
Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft
(MDC) sind im BIH eigenständige Gliedkörperschaften.