Die Welt ist mit der COVID-19-Pandemie konfrontiert und so verstärken Wissenschaftler rund um den Globus ihre Forschungstätigkeit, um den „Code“ des SARS‐CoV‐2-Virus zu knacken: Welche Zelltypen greift es an? Können wir diese Information dazu nutzen, Hochrisikopatienten zu identifizieren? Können wir das Virus mithilfe dieses Wissens „verwirren“, damit es Zellen nicht mehr erfolgreich infizieren kann? Wie ändert sich die zelluläre und transkriptionelle Landschaft bei einer SARS-CoV-2-Infektion? Wie reagiert das Immunsystem des Wirts?
Die beiden Forschungseinrichtungen Berlin Institute of Health (BIH) und die Charité – Universitätsmedizin Berlin arbeiten zusammen, um Antworten auf diese Fragen zu finden. Durch seine Kooperation mit Intel optimiert das BIH seine Datenverarbeitungsressourcen und beschleunigt seine Datenanalysen.
Die Einzelzell-RNA-Sequenzierung deckt auf, welche Zellen für Angriffe des Virus anfällig sind
Frühere Forschungsarbeiten hatten Folgendes ergeben:
- Das SARS-CoV-2-Virus greift einen bestimmten Rezeptor (ACE2) an der Oberfläche der Wirtszellen an.
- Zumindest ein weiterer Kofaktor (TMPRSS2) muss vorhanden sein, damit das Virus dazu in der Lage ist, in die Zelle einzudringen.
„Wir wollten herausfinden, welche spezifischen Zellen das Corona-Virus angreift“, erklärt Dr. Christian Conrad, der am Center for Digital Health des BIH arbeitet.
Ausgehend von diesen Erkenntnissen haben sich das BIH, die Charité und Kooperationspartner in Heidelberg daran gemacht, Proben aus den unteren Atemwegen von 16 nicht infizierten Patienten zu untersuchen. Ihr Ziel war es zu bestimmen, welche Zelltypen in den Lungen und Bronchien für eine Infektion anfällig sind. Zur Arbeit des BIH gehört die RNA-Sequenzierung von beinahe 60.000 Zellen auf Einzelzell-Ebene. Alle bekannten Zelltypen in der menschlichen Lunge und den Bronchien wurden identifiziert. Auf Grundlage ihrer Ergebnisse sagten die Forscher voraus, welche Hauptformen von Epithelzellen wahrscheinlich vom Virus angegriffen werden. Das Wissen, welche Zellen von dem Virus angegriffen werden, hilft anderen Forschern dabei, Strategien für die Abwehr des Virus zu entwickeln. Die Ergebnisse dieser Studie wurden in The EMBO Journal veröffentlicht.
Einzelzellen-RNA-Sequenzierung bei COVID-19-Patienten
Nachdem die ursprüngliche Studie über nicht infizierte Lungen- und Bronchialzellen abgeschlossen war, untersuchte das Center for Digital Health des BIH in Zusammenarbeit mit der Charité und dem Universitätsklinikum Leipzig Proben der oberen und unteren Atemwege von 19 mit COVID-19 infizierten Patienten, um die Krankheit besser zu verstehen. Die Forscher untersuchten auch Unterschiede auf der Einzelzell-Ebene bei Patienten mit mittelschweren Symptomen im Vergleich zu denen, die an schweren Symptomen litten oder sogar gestorben waren. Mehrere Proben, die vom selben Patienten zu verschiedenen Zeitpunkten genommen wurden, erlaubten es den Forschern außerdem, die zellulären und transkriptionellen Veränderungen bei fortschreitender Erkrankung zu untersuchen. Insgesamt wurden 36 Proben der Atemwege von 24 Individuen bzw. ungefähr 160.000 Zellen untersucht. Dadurch wurden bemerkenswerte Erkenntnisse über die Immunreaktion am primären Infektionsort und über die mit der Schwere der Krankheit zusammenhängenden Mechanismen zutage gebracht. Die Ergebnisse dieser Studie wurden in Nature Biotechnology veröffentlicht.
Beschleunigte Forschung
Die transkriptionalen Profile tausender Zellen aus den Atemwegen von 40 Patienten zu untersuchen war eine große Herausforderung und so wandte sich das BIH mit der Bitte um Hilfe an Intel und Dell. Intel stellte Mittel aus seiner Pandemic Response Technology Initiative bereit und unterstützte so die Entwicklung einer hochoptimierten HPC-Architektur, die auf die Sequenzierungsarbeiten von BIH abgestimmt ist.
Die Hardware-Konfiguration der Intel® Select Lösung für die Genomanalyse diente Intel, Dell und dem Systemintegrator System Vertrieb Alexander GmbH (SVA) als Ausgangspunkt, um die Lösung schnell einsatzbereit zu machen. Zuerst führte das BIH eine Proof-of-Concept-Studie mit acht HPC-Knoten durch. Anschließend konnte das BIH die Anzahl der Knoten in seinem HPC-Cluster kostengünstig von 40 Knoten auf 68 Knoten (eine Steigerung von 70 Prozent) erhöhen. Laut dem BIH skaliert die Anzahl der in einem bestimmten Zeitraum analysierbaren Zellen linear mit der Anzahl der Knoten. Durch die Sequenzierung der RNA einer größeren Anzahl von Zellen ist es den Forschern des BIH möglich, schneller zu erforschen, wie Wirtszellen auf eine Infektion reagieren. So können sie zusätzliche Erkenntnisse dazu liefern, wie das Virus aufgehalten oder zumindest eingebremst werden kann.
Indem die RNA von mehr Zellen sequenziert wird, ist es den Forschern des BIH möglich, die Erforschung der Wirtsreaktion auf eine Infektion zu beschleunigen. So können sie dann zusätzliche Erkenntnisse dazu liefern, wie das Virus aufgehalten oder zumindest eingebremst werden kann.
Nächste Schritte
Das Center for Digital Health des BIH wird weiterhin Proben von mit COVID-19 infizierten Patienten untersuchen, um zu einem besseren Verständnis der Wirtsreaktion und Pathophysiologie von COVID-19 zu gelangen. Die weitere Forschung wird sich auf das Einzelzell-RNA-Profiling sowie auf die Genomanalyse konzentrieren. Zusammen werden diese Daten möglicherweise zu weiteren Strategien für die Behandlung von SARS-CoV-2-Infektionen führen. Intel unterstützt diese Bemühungen, da die IT-Branche und die Gesundheits- und Biowissenschaften durch ihre Zusammenarbeit einen positiven Beitrag leisten möchten.
Erfahren Sie mehr darüber, wie das BIH, Intel, Dell und SVA ihre Kräfte bündelten, um die Einzelzell-RNA-Sequenzierung bei COVID-19-Patienten zu beschleunigen