Vom Labor zur Patientin – und zurück

Um Durchbrüche zu erzielen, benötigt die medizinische Forschung enorme Datenmengen. More is more, so das Motto. Hohe Rechnerkapazitäten und vielen Daten können helfen, neue Diagnosen und Behandlungsverfahren zu entwickeln. The LOOP Zurich spielt hier eine Vorreiterrolle, wie am Jahresanlass deutlich wurde.

Im Gesundheitssystem fallen jeden Tag viele Daten an: Blutwerte oder Ergebnisse von Gewebeproben, Ultraschall- oder MRT-Aufnahmen. Sie dienen der Diagnose und werden anschliessend archiviert. Doch was wäre, wenn Computersysteme eigenständig, mit Hilfe der künstlichen Intelligenz, aus den gesammelten Daten der Patientinnen und Patienten lernen und sogar neue Diagnosen und Behandlungen entwickeln würden? Die Auswertung grosser Datenmengen in der Medizin ist eines der dominierenden Themen in der Gesundheitsforschung. Wo stehen wir heute – und welche Perspektiven gibt es? Das waren die Fragen, die am Jahresanlass von The LOOP Zurich im Zentrum standen. THE LOOP Zurich ist ein translationales Forschungszentrum mit Ausrichtung auf die Präzisionsmedizin. Die Veranstaltung fand im Dezember 2023 an der Universität Zürich statt.

Seit 2020 forschen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von The LOOP Zurich zu Präzisions- und datengetriebener Medizin. Es ist Spitzenforschung, die hier unter Beteiligung der Universität Zürich, der ETH Zürich und den vier universitären Spitälern geleistet wird, – auch dank der Unterstützung von Stiftungen. «Forschung kostet, – gibt aber der Gesellschaft viel zurück», betonte Beatrice Beck Schimmer, Direktorin der Universitären Medizin Zürich, in ihrer Eröffnungsrede.

Erheben, erhalten, austauschen

Ein wichtiges Projekt von The LOOP Zurich ist der Aufbau der Biomedizininformatik-Plattform (BMIP), die Daten nach dem FAIR-Prinzip für Forschungsprojekte zu Verfügung stellt. «FAIR» steht für Findable (auffindbar), Accessible (zugänglich), Interoperable (interoperabel), Reusable (wiederverwendbar). Bis 2025 will The LOOP Zurich die BMIP für den Austausch von Forschungs- und Gesundheitsdaten aufbauen. Den Auftrag dazu hat die Universitäre Medizin Zürich erteilt, die Regierung des Kantons Zürich hat die notwendigen Mittel gesprochen.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die für ihre Studien auf gesammelte Gesundheitsdaten zugreifen möchten, werden bei ihren Anträgen unterstützt, wie etwa beim Datenmanagementkonzept oder datenschutzrechtlichen und ethischen Vorgaben. Innerhalb von wenigen Wochen könnte so der Weg vom Forschungsantrag bis zur Analyse der Daten durchlaufen werden, sagte Gunnar Rätsch, ETH-Professor für Biomedizininformatik.

Christian Wolfrum, ETH-Vizepräsident für Forschung, betonte den Mehrwert, der für die Patientinnen und Patienten aus der Biomedizininformatik-Plattform erwachsen wird. In Zukunft müsse man auch andere Spitäler und weitere Daten aus dem Bereich Public Health einbinden, wie etwa Gesundheits-Trackingdaten, so Wolfrum.

Loop von der Forschung bis zum Patienten

Markus Rudin, emeritierter Professor für Molecular Imaging und funktionelle Pharmakologie, betonte die klinische Translation, die für die The LOOP Zurich-Projekte bezeichnend ist. «Der Loop besteht darauf, dass Forschungsergebnisse zurück zu den Patientinnen und Patienten gehen», sagte er und unterstrich das Gesagte anhand von zwei Projekten, die er in kurzen Video-Sequenzen vorstellte. INTeRCePT – erforscht Blutkrebs und Lymphdrüsenkrebs bei Kindern und Erwachsenen. StimuLOOP wiederum hat sich zum Ziel gesetzt, bei Parkinson- oder Schlaganfall-Betroffenen einhergehende Gehstörungen zu therapieren und so die Lebensqualität zu verbessern. Beide Projekte ermöglichen durch ihren präzisionsmedizinischen Ansatz die gezielte, erfolgreiche und schonende Behandlung von Patientinnen und Patienten.

Überwachtes und unüberwachtes Lernen

Computersysteme können bereits heute eigenständig Gesundheitsdaten analysieren, daraus lernen und sogar Therapieempfehlungen herleiten. Welche Chancen das für die Patientinnen und Patienten bedeutet und wie künstliche Intelligenz in der Praxis eingesetzt wird, berichtete Fabian Theis, Professor für Mathematische Modellierung biologischer Systeme an der TU München und Direktor des Instituts für Computational Biology am Helmholtz Zentrum München, der als Gastreferent zum Jahresanlass geladen war.

Künstliche Intelligenz beschreibt die Lernfähigkeit von Computerprogrammen. Für dieses Lernen gibt es zwei Wege, sagte Theis. Der erste Weg beschreibt das überwachte Lernen: Forschende zeigen dem Rechner eine grosse Zahl ähnlicher Dinge und vermitteln ihm dabei je nach Fragestellung, was richtig oder falsch ist, gesund oder krank. Die Idee dahinter: Wenn der Computer genügend Input bekommt, kann sein Algorithmus irgendwann selbst die Unterscheidung treffen. Auf diese Weise kann er den Medizinerinnen und Medizinern eine Menge Arbeit abnehmen. Doch es gibt noch einen zweiten Weg, um künstliche Intelligenz anzuwenden: Hier bekommt der Rechner möglichst wenig Hilfestellung, er soll ohne Überwachung lernfähig sein. Der Mathematiker Fabian Theis wendet diese Methode beispielsweise bei der sogenannten Einzelzellanalyse an: Der Computer erhält Daten über einzelne Zellen und ihren Stoffwechsel – und muss darin Muster finden. So lassen sich neue Zusammenhänge aufspüren.

Koordination der kantonalen Datenschutzgesetze als Herausforderung

Abgerundet wurde das Programm mit einer Expertenrunde, die die Bedeutung von Daten für die Zukunft der medizinischen Forschung diskutierten, und zwar aus verschiedenen Perspektiven. Die Professorin für Neurointensivmedizin an der Universität Zürich und leitende Ärztin der Neurointensivstation des Universitätsspitals Zürich, Emanuela Keller, beschrieb, wie Künstliche Intelligenz (KI) in der Intensivmedizin Entscheidungshilfen zur Behandlung von Patientinnen und Patienten liefern könne, aber auch wie potenzielle Konflikte entstehen können, wenn die Empfehlungen der KI nicht mit dem Erfahrungswissen der Ärztinnen und Ärzte übereinstimme. Gunnar Rätsch, Fabian Theis und Michael Krauthammer, Professor für Medizininformatik an der Universität Zürich, erläuterten, wie mittels moderner Prozessierungsmethoden Daten für Forschungszwecke genutzt werden könnten und welche datenschutzrechtlichen Aspekte dabei zu beachten sind. Kerstin Vokinger, Juristin und Medizinerin an der Universität Zürich, sprach darüber, mit welchen datenschutzrechtlichen Herausforderungen wir in Zukunft konfrontiert sein werden, besonders in der Schweiz, mit ihrem föderalistischen Rechtssystem, – denn nach wie vor gibt es in der Schweiz mehrere kantonale Datenschutzgesetze.

Zwei Siegerprojekte gekürt

Jens Selige, Geschäftsführer von The LOOP Zurich, stellte am Jahresanlass zwei Siegerprojekte von jungen Forschenden vor, die sich bei der Ausschreibung beworben und gegen andere Projekte durchgesetzt hatten. Damit verbunden ist eine grosszügige finanzielle Unterstützung für ihre Plattform-Projekte.

Genaue Diagnosen dank digitaler Bildverarbeitung

Sebastiano Caprara stellte das erste Sieger-Projekt «Biomedical Informatics Imaging Platform» (BMI2) vor. BMI2 besteht aus einem Konsortium von verschiedenen Spitälern. Caprara arbeitet an der Universitätsklinik Balgrist und leitet derzeit die Digital Medicine Unit. Das Projekt BMI2 sammelt Bilddaten, zum Beispiel aus dem MRI und analysiert sie mit der sogenannten Segmentierung, einem Teilgebiet der digitalen Bildverarbeitung und des Computer-Sehens. «Die Analyse der Ergebnisse führt zu genaueren Diagnosen, zum Beispiel bei Schäden an einzelnen Wirbeln», so Caprara.

Lymphom bekämpfen

Das zweite Siegerprojekt wurde von Marco Bühler vorgestellt. Er arbeitet als Pathologe am Universitätsspital Zürich. Unter dem Namen «POLAR» wollen die Forschenden des Konsortiums, Daten von Patienten mit einem Lymphom zusammentragen. Dazu gehören Anamnesedaten, Daten aus der Bildgebung, Proteinanalytik und Pathologie wie auch genetische Daten. All diese Daten, die im Moment noch in unterschiedlichen Datenbanken erfasst werden, sollen in eine einzige Datenbank einfliessen. «Wir wollen den grössten Datensatz weltweit über Lymphome zusammentragen, mit dem Ziel, das Wissen in die Klinik zu den Patient:innen zurückzubringen und zur Heilung beizutragen», sagte Bühler.

Text: Marita Fuchs
Fotos: Frank Brüderli