Architekten einer neuen IT-Forschungslandschaft

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Medizinische Daten, die während der Diagnose oder Behandlung entstehen, enthalten wertvolle Informationen für Forscher und Ärzte. Frank Ückert und seine Mitarbeiter entwickeln Konzepte und IT-Werkzeuge, die diesen Datenschatz nutzbar machen sollen.

Einen Computer und mitunter ein Whiteboard – viel mehr brauchen die Mitarbeiter um Frank Ückert bei ihrer täglichen Arbeit nicht. Umso facettenreicher sind ihre Aufgaben. Personen, die ausschließlich programmieren, sind hier in der Minderheit. Die meisten Mitarbeiter der Abteilung Medizinische Informatik in der Translationalen Onkologie entwickeln Konzepte – sie erstellen Projektpläne, erarbeiten Strategien und kommunizieren mit Kooperationspartnern. Ihr Ziel: Daten aus dem Labor und aus der Klinik sollen über kurz oder lang die Grundlage für neue Therapien oder Diagnoseverfahren bilden.

Obwohl der Begriff der medizinischen Informatik schon seit den 1970er Jahren existiert, hat diese Disziplin erst durch das Internet und immer leistungsstärkere Computer Fahrt aufgenommen. Viele Experten sehen darin eine große Chance: Die umfangreichen medizinischen Daten, die schon heute zur Verfügung stehen, könnten dazu beitragen, zukünftig für jeden Patienten eine auf ihn abgestimmte, personalisierte Behandlung zu finden.

Stellvertretend für die Entwicklung dieser Fachrichtung steht auch die der Abteilung selbst. Frank Ückert kam 2016 nach Stationen in Münster, Erlangen und Mainz ins DKFZ. Anfangs bestand sein Team aus fünf Mitgliedern. Mittlerweile ist es auf rund 40 Wissenschaftler angewachsen – für eine Forschungsgruppe ein vergleichsweise rasantes Wachstum. Die Gruppe besteht mehrheitlich nicht aus Informatikern, sondern aus Medizinern und Biologen. Auch Ückert selbst studierte Medizin. Parallel schloss er gleich noch ein zweites Studium ab, das der Mathematik. Doch was machen die Medizininformatiker im Detail?

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Einen Mehrwert schaffen

„Wir überlegen uns zunächst, welche Daten interessant sind und wie man an sie heran kommt", erklärt Ückert. Das Team unterstützt Forschungseinrichtungen und Kliniken dabei, ihre Daten sinnvoll zu speichern und mit bereits existierenden zusammenzubringen – zum Beispiel Genomanalysen mit radiologischen Bildern oder anderen klinischen Daten. „Anschließend geht es darum, aus den gebündelten Informationen einen Mehrwert zu schaffen." Denn letztlich soll die Arbeit der IT-Spezialisten dazu beitragen, dass Ärzte eine möglichst exakte Diagnose stellen und die geeignete Therapie auswählen können. Ückert sieht sein Team auf einem guten Weg: „In einigen Fällen sind wir schon so weit, dass wir die Ärzte in ihren Entscheidungsprozessen unterstützen können."

Doch schon das Zusammenführen der Daten stellt eine Herausforderung dar: Denn auch unstrukturierte Daten, wie etwa Arztbriefe, sollen in die Datenbanken einfließen und später gemeinsam mit Laborwerten und weiteren Informationen durchsucht und gefiltert werden können. Alexander Knurr möchte genau dies möglich machen. Er leitet innerhalb der Abteilung die Arbeitsgruppe „DataThereHouse". Ziel des Projekts ist es, eine Daten-Infrastruktur zu etablieren, in der sich die klinischen und wissenschaftlichen Daten der Krebspatienten des Nationalen Centrums für Tumorerkrankungen (NCT) Heidelberg und die Forschungsdaten des DKFZ speichern und gemeinsam auswerten lassen. Selbst komplexe Anfragen soll die Datenbank mit hoher Geschwindigkeit bewältigen können. Dazu müssen die Wissenschaftler die Daten zuallererst so aufbereiten, dass sie miteinander kompatibel sind. Denn häufig wird nach unterschiedlichen Standards dokumentiert. Neben Programmierkenntnissen sei es deshalb wichtig, dass seine  Mitarbeiter die Bedeutung der Daten kennen, betont Knurr: „Wir müssen die komplexen Zusammenhänge in der Onkologie verstehen." Um einen Arzt später bei seiner täglichen Arbeit unterstützen zu können, muss das Team dafür sorgen, dass ihm die Daten verständlich präsentiert werden. Die Forscher übernehmen deshalb häufig eine Vermittlerrolle zwischen den beteiligten Personen, etwa zwischen Ärzten, Forschern und Softwareentwicklern.

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In der Vermittlerrolle

Eine solche Vermittlerin ist die Biotechnologin und Informatikerin Sophia Stahl-Toyota. „Meine Arbeit besteht vorrangig darin, die verschiedenen Berufsgruppen an einen Tisch zu bringen. Sie sollen erkennen, welchen Mehrwert es bringt, die Daten zusammenzuführen ", so die Forscherin. Bei dieser Aufgabe kommt ihr zugute, dass sie sowohl die Perspektive der Informatiker als auch die der Wissenschaftler im Labor kennt. Stahl-Toyota arbeitet in der von Martin Lablans und Tanja Höpker geleiteten AG Verbundforschung. Das Team möchte Netzwerke etablieren, in denen Daten nicht nur einfach gesammelt werden – sie sollen auch einen konkreten Nutzen bringen. „Wir möchten insbesondere die Grenzen zwischen Forschung und Behandlung überwinden – um sowohl Forschungsergebnisse in die klinische Anwendung als auch klinische Ergebnisse in die Forschung zu bringen", sagt Stahl-Toyota.

Die Arbeitsgruppe kooperiert inzwischen mit Partnern deutschlandweit. „Es reicht heute oft nicht mehr aus, Daten zu analysieren, die von nur einem Standort stammen", betont Ückert. Denn die molekularen Ursachen einer Krebserkrankung können von Patient zu Patient sehr unterschiedlich sein. Jeder Fall muss individuell betrachtet werden. Um für wissenschaftliche Analysen überhaupt ausreichend große Gruppen bilden zu können, in denen die Patienten gleiche oder zumindest ähnliche Merkmale aufweisen, müssen die Forscher aus einer entsprechend großen Zahl von Fällen auswählen können. Je seltener eine bestimmte Krebsform auftritt, desto schwieriger ist das zu gewährleisten.

„Manche Wissenschaftler betrachten die Daten jedoch als eine Art Schatz, den sie ungern mit anderen teilen möchten", erläutert Ückert. Das sei aber nachvollziehbar: Schließlich stehe es jedem zu, die Lorbeeren seiner Arbeit irgendwann selbst zu ernten. Das Team muss deshalb viel Überzeugungsarbeit leisten. „Dazu muss man den Verantwortlichen in Forschungseinrichtungen und Kliniken folgendes erklären: Der Wert dieses Schatzes nimmt nicht ab, wenn man ihn mit anderen teilt, er nimmt sogar zu", veranschaulicht Ückert. Außerdem müsse man Vertrauen schaffen. Das gelingt der Gruppe, indem sie den jeweiligen Standorten die Kontrolle über ihre Daten garantiert. Sie dürfen stets selbst entscheiden, welche Informationen sie tatsächlich teilen möchten und welche nicht.

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Der Brückenkopf

Zu diesem Zweck hat das Team den sogenannten Brückenkopf entwickelt. Dabei handelt es sich im Prinzip um einen Computer mit einer speziell entwickelten Software, der an jedem Netzwerkstandort steht. Die Rechner speichern und standardisieren die Daten und führen sie zusammen – so denn die Verantwortlichen ihre Einwilligung erteilen. Zudem sorgt ein eigens dafür entworfenes Datenschutzkonzept dafür, dass das Vorgehen den strengen deutschen Datenschutzanforderungen entspricht.


Mittlerweile betreibt die Gruppe die notwendige Computertechnik für ganz unterschiedliche Kooperationen. Herausragend ist dabei das Deutsche Krebskonsortium (DKTK), in dem das DKFZ mit Forschungseinrichtungen und Kliniken an acht Standorten kooperiert. Weitere Partner sind etwa Biobankennetzwerke oder das von der Deutschen Krebshilfe geförderte Netzwerk deutscher onkologischer Spitzenzentren. Auch mit dem nationalen Netzwerk Genomische Medizin (nNGM) kooperiert die Abteilung. Das nNGM möchte erreichen, dass deutschlandweit alle Patienten mit fortgeschrittenem  Lungenkrebs Zugang zu molekularer Diagnostik und neuen Therapien erhalten. „Durch diese Netzwerke erhalten wir prinzipiell die Möglichkeit, auf größere Datenbestände zuzugreifen", betont Ückert. Dennoch seien er und seine Mitarbeiter weiterhin auf der Suche nach neuen Kooperationspartnern: „Wir versuchen immer wieder, all diejenigen, die mit Datensammlungen arbeiten, zu ermuntern, mit uns in Kontakt zu treten."

Denn der Umfang und die Qualität der Daten entscheiden über deren Nutzen. Insbesondere der Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI) ist erst bei einer ausreichend großen Menge harmonisierter Daten sinnvoll. Selbstlernende Algorithmen untersuchen dann die riesigen Datenmengen auf Muster und zeigen Zusammenhänge auf, die man mit herkömmlichen Methoden nicht gefunden hätte. „In den meisten Fällen ist die Menge der Informationen derzeit aber schlicht noch zu gering, um sie sinnvoll mittels KI analysieren zu können", erklärt Ückert. Gleichwohl zweifelt in seinem Team niemand daran, dass diese Technologie die Entwicklung der medizinischen Informatik rapide vorantreiben wird. Um einen Job muss sich von ihnen in der Zukunft also vermutlich niemand Sorgen machen. (jd)

DataThereHouse - Forschungsdaten schnell, einfach und sicher zugänglich machen

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Die Analyse von medizinischen Datensätzen hilft Forschern, neue Diagnose-, Therapie- und Präventionsmethoden zu entwickeln. Oft scheitert dieses Vorhaben aber an der mangelnden IT-Infrastruktur. Deshalb wird mit dem Projekt  DataThereHouse am NCT Heidelberg und DKFZ eine digitale Plattform etabliert, die die Integration der  Daten gewährleistet und deren  Auswertung erleichtert.

„Die Daten sind nicht irgendwo, sondern sie sind genau da – also there.“ Auf diesem Ursprungsgedanken, erinnert sich Professor Frank Ückert, basiert die Namensgebung des DataThereHouse. Die Idee eines solchen Systems sei es, medizinische und wissenschaftliche Daten tatsächlich an einem Ort zu integrieren und zusammenzuführen, berichtet Ückert, der am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) die Abteilung „Medizinische Informatik in der Translationalen Onkologie (MITRO)“ leitet. Denn die vielfältigen medizinischen Daten, die tagtäglich anfallen, sind für Ärzte und Forscher ein wertvolles Gut, das aber ohne entsprechende Werkzeuge schwer zugänglich ist. Medizininformatiker entwickeln deshalb dafür passende Analyseverfahren. Mit den daraus gewonnenen Erkenntnisse lassen sich neue diagnostische Verfahren sowie innovative Therapien entwickeln. 

Viele Kliniken und Einrichtungen auf dem Heidelberger Campus verfügen allerdings über eigene Dokumentationssysteme und Datenspeicher. „Die Daten sind in der Regel in ganz unterschiedlichen Formen und Formaten gespeichert und der Zugriff auf die Systeme ist nicht zentral geregelt“, beschreibt Ückert die Problematik. „Folgerichtig müssen wir Daten zunächst harmonisieren“, wie er es nennt. Hierzu begannen im Jahr 2013 Forscher des DKFZ und des NCT Heidelberg gemeinsam mit Entwicklern der Softwarefirma SAP als Grundstein des DataThereHouse eine erste Analyseplattform unter Verwendung der sogenannten Hana-Datenbank-Technologie von SAP aufzubauen. Im Jahr 2016 übernahm dann die MITRO-Abteilung das Projekt und entwickelt es kontinuierlich weiter. Unter Einbeziehung neuer und etablierter Werkzeuge entstand daraus eine umfassende Plattform zur Unterstützung klinischer und wissenschaftlicher Projekte.
Mittlerweile integriert die Plattform neben klinischen Daten von Patienten des NCT Heidelberg und Informationen über Bioproben der NCT Gewebebank auch die molekularen Befunde, die im DKFZ generiert werden und eine Aussage über onkologisch relevante Mutationen in den genetischen Profilen der Tumoren enthalten. Die gemeinsame Verwendung dieser Informationen ist ein entscheidender Schritt in Richtung der personalisierten Onkologie und wird in Studien wie dem „Molecularly Aided Stratification for Tumor Eradication Research-Program“, kurz MASTER, genutzt. Dadurch können Ärzte in Zukunft Therapieentscheidungen immer häufiger auf Basis der vielfältigen Mutationen eines einzelnen Tumors beziehungsweise des Patienten treffen. Die Anzahl von Betroffenen mit vergleichbaren Mutationen in einem Klinikum ist jedoch zu gering, um belastbare Aussagen zum Behandlungserfolg und dadurch gesicherte Erkenntnisse zur Therapie künftiger Patienten zu gewinnen. 

Heidelberger Schnittstelle zu  internationalen Partnern

Deshalb ist es laut Alexander Knurr, Mitarbeiter von Ückert und Leiter der Gruppe DataThereHouse, wichtig, die klinische und wissenschaftliche Welt außerhalb Heidelbergs für gemeinsame Projekte und klinische Studien mit ins Boot zu holen.

Knurr nennt als ein Beispiel für eine aktuelle, internationale Kooperation das Athens Comprehensive Cancer Centers (ACCC). Das DKFZ unterstützt dabei fünf Athener Krankenhäuser beim Aufbau eines neuen Zentrums nach dem Vorbild des NCT. Ein zentraler Aspekt dieser Kooperation ist die Zusammenführung sowohl von klinischen Daten als auch Daten aus Bioproben aus beiden Standorten in das DataThereHouse. Dies sei dringend notwendig, sagt Knurr, um die Datenbasis zu verbreitern. Begonnen wird im Jahr 2019 mit Daten und Bioproben aus den Bereichen Kolorektales Karzinom, Multiples Myelom und der Kinderonkologie. 

 

Herausforderungen für  das DataThereHouse

Um die bisher überwiegend in Heidelberg genutzte Plattform für neue Herausforderungen der personalisierten Onkologie und der damit einhergehenden standortübergreifenden Kooperationen vorzubereiten, wurde die bestehende Plattform angepasst, berichtet Knurr. Zum Beispiel mussten er und seine Kollegen Systeme zur Dokumentation von klinisch- und wissenschaftlich-onkologischen Merkmalen und zur Befragung von Patienten im Behandlungsverlauf für nicht-deutschsprachige Nutzer erweitern und in die Plattform integrieren. Um die datenschutzkonforme Verarbeitung der Daten zu gewährleisten, musste das Team etwa die Pseudonymisierung der Daten weiterentwickeln und das Datenschutzkonzept im Hinblick auf die EU-Datenschutzgrundverordnung anpassen.

Daneben würden sich die Partner häufig mit anderen Daten und Fragestellungen beschäftigen, erläutert Knurr. Um sie dabei zu unterstützen, müssen die Informatiker, Mediziner und Biologen der MITRO sich intensiv inhaltlich mit den jeweiligen Daten beschäftigen und ihre Bedeutung verstehen. Nur so könne man die Analysewerkzeuge des DataThereHouse entsprechend anpassen und das gemeinsame Ziel erreichen: nämlich die Versorgung onkologischer Patienten weiter zu verbessern.

Unterstützung von Ärzten  und Forschern

Das DataThereHouse ermöglicht es Ärzten, die Daten mit Hilfe intuitiver Analysewerkzeuge zu untersuchen und einen raschen Überblick über die gesammelten Informationen eines Patienten zu gewinnen: Blutproben, Genanalysen, Arztbriefe, pathologische Befunde, radiologische Untersuchungen, genetische Veränderungen und so weiter. Der Vergleich mit in der Plattform zur Verfügung stehenden Informationen zu ähnlichen Patienten, aktuellen Forschungsergebnissen oder klinischen Studien unterstützt Ärzte bei der Diagnosestellung, der Ausarbeitung einer personalisierten Therapie oder der Suche nach geeigneten klinischen Studien, für die ein jeweiliger Patient geeignet wäre.

Daneben können Wissenschaftler im DataThereHouse neue Diagnose- und Therapiemöglichkeiten entdecken. 
Zu diesem Zweck bietet ihnen  die Plattform die Möglichkeit:

· Biomaterial von Patienten mit  medizinisch interessanten Profilen zu identifizieren, um die Wirksamkeit von potentiellen Medikamenten in Laborversuchen und anschließenden klinischen Studien zu untersuchen.

· die bei den genetischen Analysen anfallenden, großen Datenmengen mit innovativen Verfahren zu analysieren und neue Ansätze für innovative Therapien zu finden.

· automatisiert in radiologischen  Bildern Tumore oder Metastasen zu erkennen und damit Radiologen und Onkologen bei Therapieentscheidungen zu unterstützen.

Insgesamt wird die Bedeutung solcher leistungsfähigen IT-Infrastrukturen in der Medizin weiter zunehmen. Das liegt zum einen an den immer besseren Methoden der Datenanalyse und zum anderen an der rasanten Zunahme der Datenmengen. „Alle diese medizinischen Daten sind in Summe viel wertvoller als ihre Einzelteile“, resümiert Ückert. Das DataThereHouse steigert also den Wert der Daten und wird für Onkologen zu einem Werkzeug, das ihnen ermöglicht, das Beste für den Patienten herauszuholen. (jd)

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