In dieser Große Rechenleistung In dieser Podcast-Folge spricht Gabriel Broner mit Mark Borodkin, COO von Bionano Genomics, darüber, wie Genomik und HPC es Ärzten und Forschern ermöglichen, komplexe Krankheiten zu diagnostizieren und einzigartige personalisierte Behandlungen auf der Grundlage individueller Variationen der DNA zu verschreiben.
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Überblick und wichtige Kommentare
Fortschritte in der Genomik und im Hochleistungsrechnen ermöglichen eine neue Form der Medizin. DNA-Variationen weisen auf die Art der Erkrankung eines Patienten hin und ermöglichen so die optimale Behandlung. Traditionell wurden Behandlungen je nach Krankheitsart, wie beispielsweise „Lungenkrebs“, verschrieben, doch nur ein Bruchteil der Patienten reagierte positiv. DNA-Variationen ermöglichen es Ärzten, die jeweilige Krebsart zu verstehen und die optimale Behandlungsmethode zu wählen. Dies ermöglicht uns den Übergang zu einer neuen Form der personalisierten Medizin.
Was sind komplexe Erkrankungen?
„Ich teile komplexe Krankheiten in zwei verschiedene Kategorien ein: Zum einen die seltenen Erkrankungen, die nur einen kleinen Prozentsatz der Bevölkerung betreffen (allein in den USA sind es 25 Millionen Menschen). Zum anderen den Krebs, bei dem jeder Patient eine einzigartige Signatur hat, die bestimmt, wie der Krebs fortschreitet und welche Behandlung erforderlich ist.“
Wie verändert sich die DNA bei einer Krankheit?
Unsere DNA kodiert, wer wir sind. Dieses Genom verändert sich ständig. Die meisten dieser Veränderungen sind harmlos und lediglich Rechtschreibfehler. Löschen diese Variationen jedoch ein Gen, fehlt dessen Funktion. Manchmal ist unser Körper in der Lage, dies zu kompensieren, manchmal nicht. In diesem Fall kann beispielsweise eine Muskeldystrophie tödlich verlaufen. Manche Variationen liegen sehr weit auseinander, können aber miteinander verschmelzen und ein neues Protein bilden, das Schaden anrichten kann, wie dies bei der Leukämie CML der Fall ist.
Wie können wir Abweichungen erkennen, um die Diagnose zu verbessern?
Wir können seit vielen Jahren große Variationen in der DNA nachweisen. Chromosomen lassen sich unter dem Mikroskop betrachten. Modernere Techniken wie die DNA-Sequenzierung ermöglichen es, kleine Variationen zu finden. Vor kurzem hat mein Unternehmen die optische Kartierung eingeführt. Wir entnehmen sehr lange DNA-Stücke aus menschlichem Blut oder Gewebe, präparieren sie mit chemischen Markierungen und leiten sie durch 100,000 Nanokanäle. Durch den Vergleich mit einem gesunden Menschen finden wir strukturelle Variationen. Ärzte können so für Diagnosezwecke nach bereits entdeckten Variationen suchen. Forscher nutzen die optische Kartierung, um neue Variationen und Marker für die Entwicklung neuer Medikamente oder Therapien zu finden.
Wie können wir Behandlungen auf der Grundlage der DNA-Informationen verbessern?
„Schauen Sie sich Krebs an. Wir sprechen von Lungenkrebs, wenn jemand eine bestimmte Krebsart hat. Es gibt Therapien, die gegen Lungenkrebs verschrieben werden. Manche sprechen gut darauf an, andere sehr schlecht. Woran liegt das? Krebsforscher haben erkannt, dass jede dieser Krebsarten eine andere Signatur aufweist, die zu unterschiedlichem Verlauf und unterschiedlichem Ansprechen auf die Therapie führt. Ziel dieser neuen Therapieform ist es, eine individuell auf den Patienten abgestimmte Therapie zu verschreiben.“
Wie werden die von Ihnen entwickelten Lösungen heute eingesetzt?
„Wir werden derzeit weltweit für klinische Studien an Patienten mit Leukämie und Muskeldystrophien eingesetzt. Forscher versuchen, die Standardbehandlung durch eine kostengünstigere, schnellere und hochauflösendere Behandlung zu ersetzen. In einigen dieser Studien wird an der Identifizierung neuer Biomarker gearbeitet. Wenn klinische Tests bei einem Patienten eine seltene Krankheit vermuten lassen, liegt die Diagnosegenauigkeit heute bei 30–50 %. Die Entdeckung dieser Biomarker ist der Vorläufer einer neuen Therapie.“
Können Sie etwas über Ihre Entscheidung sagen, HPC in der Cloud für die DNA-Analyse zu verwenden?
„Wir stellten fest, dass wir Moores Gesetz bei der Generierung von Patientendaten, der schnelleren Erfassung der Genomik von Patienten und der Untersuchung komplexerer Ereignisse in der DNA übertreffen. Wir brauchten mehr Rechenleistung. HPC in der Cloud erschien uns als die beste Skalierungsmöglichkeit für unsere aktuellen und zukünftigen Aufgaben, da es uns eine schnelle Skalierung ermöglicht. Wir haben uns für eine integrierte HPC-Cloud-Lösung entschieden, die es uns ermöglicht, die Daten, sobald wir sie aus unseren Instrumenten erhalten, in die Cloud zu übertragen. Unsere Bioinformatik-Pipeline befindet sich in der Cloud, und wir können eine große Anzahl von Kunden gleichzeitig bedienen. Unsere Umstellung auf die Cloud wurde durch die einzigartigen Funktionen von Rescale ermöglicht.“
„Eines der Dinge, die uns schon früh bei der Erforschung der Cloud klar wurde, war, dass wir unseren Forschern und Klinikern eine einfach zu bedienende Lösung bieten wollten. Eine Möglichkeit war, es selbst zu tun: unsere Pipeline in einen AWS-Container zu stellen, Anwendungshinweise zu schreiben und unsere Benutzer damit arbeiten zu lassen. Wir erkannten jedoch schnell, dass unsere Kunden davon abgeschreckt wären, da unsere Aufgabe darin besteht, aussagekräftige Patientendaten zu gewinnen. Deshalb entschieden wir uns, HPC mithilfe von Rescale und unserer Software in der Cloud zu abstrahieren. Unsere Kunden müssen lediglich wissen, dass die Lösung die benötigte Sicherheit und Leistung bietet, ohne sich mit dem neuen Cloud-Jargon vertraut machen zu müssen.“
Können wir uns eine Zukunft vorstellen, in der wir regelmäßig DNA-Tests in der Arztpraxis machen lassen?
Diese Zukunft wird kommen. Einige der Herausforderungen sind technologisch bedingt. Darüber hinaus gibt es aber noch weitaus größere Herausforderungen, und zwar die Suche nach genetischen Beratern, die die im Genom gefundenen Informationen im richtigen Kontext vermitteln können. Manchmal können wir sagen, dass Sie eine bestimmte Krankheit haben, aber häufiger geht es um die Wahrscheinlichkeit, dass Sie eine Krankheit bekommen. Die Aufgabe, diese Wahrscheinlichkeiten sinnvoll zu vermitteln, liegt in der Verantwortung genetischer Berater, und wir werden einen Mangel an genetischen Beratern haben. Wir stehen noch ganz am Anfang, zu verstehen, was diese genomischen Werkzeuge leisten können.
Mark Borodkin
Mark Borodkin ist Chief Operating Officer bei Bionano Genomics, einem Genomik-Unternehmen, das sich auf die Diagnostik komplexer Krankheiten spezialisiert hat. Mark blickt auf eine 20-jährige Erfolgsgeschichte in der Entwicklung von Systemen für die Biowissenschaften und die Medizintechnikbranche zurück.
Gabriel Broner
Gabriel Broner ist VP & GM für HPC bei Rescale. Bevor er im Juli 2017 zu Rescale kam, war er 25 Jahre in der Branche tätig, unter anderem als Betriebssystemarchitekt bei Cray, GM bei Microsoft, Innovationsleiter bei Ericsson und VP & GM für HPC bei SGI/HPE.
