Berliński Instytut Zdrowia: zaprzęganie HPC do pracy dla świata

Badacze z Centrum Cyfrowego Zdrowia w Berlińskim Instytucie Zdrowia (BIH) wykorzystują naukę, aby zrozumieć patofizjologię COVID-19. Może to wpłynąć na rozwój celowanej kuracji.

Globalne zmagania z pandemią COVID-19 wymusiły na naukowcach z całego świata próby „złamania kodu” i odpowiedzi na pytanie: jakiego rodzaju komórki atakuje SARS-CoV-2? Czy te informacje pozwolą nam zidentyfikować pacjentów wysokiego ryzyka? Czy ta wiedza pozwoli nam „zmylić” wirusa i uniemożliwić mu udane zakażanie komórek? Jak zakażenie SARS-CoV-2 zmienia krajobraz komórkowy i transkrypcyjny? Jak reaguje układ odpornościowy żywiciela?

Nad odpowiedziami na te pytania pracują wspólnie dwa ośrodki badawcze – Berliński Instytut Zdrowia (BIH) oraz Charité – Universitätsmedizin Berlin. BIH współpracuje z firmą Intel nad optymalizacją swoich zasobów mocy obliczeniowych i przyspieszeniu zadań analitycznych.

Sekwencjonowanie jednokomórkowego RNA ujawnia komórki, które są narażone na atak wirusa

Wcześniejsze badania wykazały następujące kwestie:

  • Wirus SARS-CoV-2 łączy się z określonym receptorem (ACE2) znajdującym się na powierzchni komórki żywiciela.
  • Przynajmniej jeden inny współczynnik (TMPRSS2) musi być obecny, aby wirus był w stanie spenetrować komórkę.

„Chcieliśmy dowiedzieć się, które konkretne komórki atakuje koronawirus”, wyjaśnia dr Christian Conrad, który pracuje w Centrum Cyfrowego Zdrowia BIH.

BIH bada mechanizmy zakażania, którymi posługuje się nowy koronawirus. (zdjęcie dzięki uprzejmości Markusa Hoffmanna/Deutsches Primatenzentrum)

Na podstawie tych wniosków BIH, Charité oraz ich partnerzy z Heidelbergu, postanowili zbadać próbki dolnych dróg oddechowych 16 pacjentów, którzy nie są zakażeni wirusem. Ich celem było określenie, które rodzaje komórek płucnych i oskrzelowych są narażone na infekcję. Prace BIH obejmują uporządkowywanie RNA na poziomie jednokomórkowym, obejmujące niemal 60 tys. komórek. Zidentyfikowano wszystkie znane rodzaje komórek w przewodach ludzkich płuc i oskrzeli. Odkrycia badaczy pozwoliły im przewidzieć główny typ komórek nabłonkowych, które najprawdopodobniej staną się celem wirusa. Ta wiedza może pomóc badaczom w opracowaniu strategii postawienia mu kontry. Wyniki tego badania zostały opublikowane w dzienniku EMBO Journal.

Uporządkowywanie jednokomórkowego RNA pacjentów z COVID-19

Po przeprowadzaniu badania wstępnego komórek z niezakażonych płuc i oskrzeli, Centrum Cyfrowego Zdrowia w BIH oraz Charité and University Hospital w Lipsku, postanowili zbadać próbki z górnych i dolnych dróg oddechowych 19 pacjentów zakażonych COVID-19, aby lepiej zrozumieć chorobę. Zbadano także różnice na poziomie jednokomórkowym u pacjentów z umiarkowanymi symptomami i porównano je z pacjentami o ciężkich objawach, a nawet tymi, którzy na chorobę zmarli. Wiele próbek pobranych od tego samego pacjenta w różnych okresach, pozwoliło badaczom na dalsze sprawdzanie zmian komórkowych i transkrypcyjnych podczas postępu choroby. W sumie zbadano 36 próbek dróg oddechowych od 24 osób, a także 160 tys. pojedynczych komórek. Doprowadziło to do zdumiewających wniosków na temat reakcji układu odpornościowego na zakażenie pierwotne oraz mechanizmów związanych z powagą choroby. Wyniki tego badania zostały opublikowane w Nature Biotechnology.

Przyspieszone badanie

Zbadanie profili transkrypcyjnych tysięcy komórek z dróg oddechowych 40 pacjentów było męczącym zadaniem, więc naukowcy z BIH zwrócili się o pomoc do firm Intel i Dell. Firma Intel zapewniła finansowanie poprzez swoją inicjatywę Pandemic Response Technology Initiative oraz pomogła w stworzeniu wysoce zoptymalizowanej struktury HPC, dopasowanej do zadań BIH związanych z uporządkowywaniem.

Punktem wyjściowym było zastosowanie konfiguracji sprzętowej z rozwiązania Intel® Select dla analityki genomicznej. Firmy Intel, Dell oraz integrator systemowy System Vertrieb Alexander GmbH (SVA) pomogły w szybkim wprowadzeniu rozwiązania do produkcji. Początkowo naukowcy z BIH przeprowadzili weryfikację pomysłu, używając ośmiu węzłów HPC. Następnie mogli opłacalnie zwiększyć ilość węzłów swojej grupy HPC, z 40 do 68 (wzrost o 70%). Zdaniem BIH ilość komórek, którą można zanalizować w konkretnym okresie, zwiększyła się wprost proporcjonalnie do ilości węzłów. Sekwensjonowanie RNA o większej liczbie komórek pozwoli badaczom BIH przyspieszyć ich znalezienie odpowiedzi na reakcję komórek żywiciela na infekcję. Będą mogli również przedstawić dodatkowe wnioski na temat potencjalnego zatrzymania wirusa lub przynajmniej jego spowolnienia.

Sekwensjonowanie RNA o większej liczbie komórek pozwoli badaczom BIH przyspieszyć ich znalezienie odpowiedzi na reakcję komórek żywiciela na infekcję. Będą mogli również przedstawić dodatkowe wnioski na temat potencjalnego zatrzymania wirusa lub przynajmniej jego spowolnienia.

Następne kroki

Centrum Cyfrowego Zdrowia (BIH) kontynuuje badanie próbek od pacjentów zakażonych COVID-19, aby lepiej zrozumieć reakcję nosiciel oraz patofizjologię COVID-19. Dalsze badania skupią się na profilowaniu jednokomórkowego RNA, a także analizie genomiki. Te dane mogą ostatecznie doprowadzić do powstania dodatkowych strategii kuracji zakażeń SARS-CoV-2. Firma Intel zaangażowała się w pomoc w tych działaniach. Branże IT, zdrowotna oraz nauk przyrodniczych współpracują, aby dokonać faktycznego przełomu.

Poznaj najnowsze przykłady przekazywane przez klientów, ich studia przypadków i świadectwa wyróżniające innowacyjne rozwiązania oparte na danych.

Zastrzeżenia i uwagi prawne

Firma Intel nie sprawdza ani nie weryfikuje danych podawanych przez osoby trzecie. Aby ocenić ich dokładność, należy się zapoznać z innymi źródłami. Technologie Intel® mogą wymagać obsługującego je sprzętu lub oprogramowania bądź aktywacji usług. Żaden produkt ani komponent nie jest całkowicie bezpieczny. Rzeczywiste koszty i wyniki mogą się różnić.

© Intel Corporation. Intel, logo Intel i inne znaki Intel są znakami towarowymi firmy Intel Corporation lub jej spółek zależnych. Inne nazwy oraz marki mogą być przedmiotem praw ich właścicieli.