Neue Infarkt-Karte des Herzens basiert auf Big-Data-Analysen durch Künstliche Intelligenz (Presseaussendung).
Heidelberger und Aachener Wissenschafts-Teams veröffentlichen Infarkt-Karte des Herzens. Ein Interdisziplinäres Forschungsprojekt untersucht zelluläre Veränderungen des Herzens nach Herzinfarkten / Moderne molekulare Technologien erlauben umfangreiche Zellanalysen / Künstliche Intelligenz macht
krankheitsspezifische Zellzustände sichtbar / Fachpublikation in Nature erschienen.
Herzinfarkte sind nicht nur akute medizinische Notfälle; auch nach
erfolgreicher Erstbehandlung können schwerwiegende und zum Teil tödliche
Spätfolgen wie Herzschwäche auftreten. Ursache für diese Spätfolgen sind
Veränderungen in der Größe, der Form und Funktion des Herzens, die nach einem
Herzinfarkt auftreten können. Wie genau diese Remodellierung – der Umbau – des
Herzens funktioniert, ist bisher weitestgehend unbekannt. Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftler aus Heidelberg und Aachen haben nun erstmalig umfangreiche
Daten über die zellulären Prozesse während der kardialen Remodellierung nach
einem Herzinfarkt zu einer "Landkarte des Herzinfarktes" zusammengetragen.
Mittels künstlicher Intelligenz konnten sie Zellzustände identifizieren, die
offenbar charakteristisch für die kardialen Umbauprozesse sind. Die
wissenschaftliche Arbeit dazu ist im Fachmagazin Nature erschienen.
Hochleistungs-Analyse erlaubt zellulären Rundumblick
Die interdisziplinäre Projektgruppe aus den Bereichen Biomedizin, Kardiologie,
Nephrologie, Molekularer-Analyse und Bioinformatik untersuchte Gewebeproben aus
verschiedenen Teilen des Herzens von Patientinnen und Patienten, die eine
Remodellierung des Herzens zeigten. Die Analyse erfolgte zu unterschiedlichen
Zeitpunkten nach einem Herzinfarkt und auch bei Spenderherzen gesunder
Personen. In den Proben analysierten sie für einzelne Zellen das sogenannte
Multi-om – also Eigenschaften der Hülle des Erbguts (Epigenom) sowie
Proteinbaupläne, die aus dem Erbgut erstellt werden (Transkriptom).
In welchem Zelltyp an welcher Stelle des Herzens ist beim Umbau nach
Herzinfarkt welches Gen aktiv? Wie unterscheiden sich die Zellen von Zellen
gesunder Personen und wo sind Teile der Gene in der Aktivität eingeschränkt?
"Die Datensätze der räumliche Multi-om Analysen enthalten viele Informationen,
die wir benutzt haben, um diese Fragen zu beantworten. Es ist quasi eine
Landkarte des Herzens, auf der wir die Folgen eines Herzinfarktes
nachvollziehen und besser verstehen können", berichtet Christoph Kuppe,
Oberarzt am Institut für Experimentelle Innere Medizin und Systembiologie der
Uniklinik RWTH Aachen.
Künstliche Intelligenz macht Muster im Datenmeer sichtbar
Die Herausforderung: Das Multi-om einer einzelnen Zelle ist ein Datensatz von
vielen Gigabytes. Ein Datenmeer, dass von Hand nicht mehr analysiert werden
kann.
Daher setzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler für die Analyse der
Daten Methoden der Künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens ein.
Ein eigens entwickeltes Verfahren vergleicht Wert für Wert und Probe für Probe.
Findet es dabei Kombinationen von Werten, die nur bei Proben von erkrankten
Personen auftreten, wertet die Maschine die Kombination als krankheitstypisch.
"Der Algorithmus hat mehrere Zellzustände und Zelltypen identifiziert, die
offenbar charakteristisch für die kardiale Remodellierung sind", sagt Ricardo
Ramirez Flores, Wissenschaftler am Institute for Computational Biomedicine,
Medizinische Fakultät Heidelberg. "Die computergestützte Integration von
Multi-om Daten ermöglichte erstmalig die Charakterisierung von regulatorischen
Netzwerken, die räumliche Aspekte des Herzumbaus kontrollieren", so Ramirez
Flores. Nun hoffen die Forschenden, die ihre Herzinfarkt-Karte und die Software
unter Open-Source-Lizenz der Wissenschaftswelt zur freien Verfügung gestellt
haben, dass sie als Grundlage dient, auf der Therapie- und Präventionsansätze
gefunden werden, um die langfristigen Folgen von Herzinfarkten zu verhindern.
Beteiligte Einrichtungen und Kontakt
Professor Saez-Rodriguez
Institutsleiter Institute for Computational Biomedicine, Medizinische Fakultät
Heidelberg
Gruppenleiter Saez-Rodriguez Group & Informatics for Life
pub.saez@uni-heidelberg.de
twitter @saezlab
Professor Rafael Kramann
Institutsdirektor Institut für Experimentelle Innere Medizin und Systembiologie
Uniklinik RWTH Aachen
rkramann@gmx.net
twitter @rkramann
Professor Ivan G. Costa
Institutsdirektor Institute for Computational Genomics
Uniklinik RWTH Aachen
ivan.costa@rwth-aachen.de
twitter @vanvanka123
Literatur
Die Arbeit wurde gefördert von der Klaus Tschira Stiftung, dem
Bundesministerium für Bildung und Forschung, der Deutschen
Forschungsgemeinschaft und dem Europäischen Forschungsrat.
Kuppe, Ramirez Flores, Li, A spatial multi-omics map of human myocardial
infarction. Nature 2022. Doi:10.1038/s41586-022-05060-x
Quelle: Presseaussendung, 16.08.2022