BIH: HPC-basierte COVID-19-Einzelzell-RNA-Sequenzierung

Das Berliner Institut für Gesundheitsforschung (Berlin Institute of Health, BIH) und Intel haben gemeinsam eine Lösung entwickelt, mit deren Hilfe festgestellt werden kann, welche menschlichen Zelltypen COVID-19 angreift.

Auf einen Blick:

  • Das Berliner Institut für Gesundheitsforschung (BIH) konzentriert sich auf translationale Forschung und Präzisionsmedizin.

  • Die Charité und das BIH verwenden die HPC-Architektur von Intel, um eine rechenintensive RNA-Sequenzierung auf Einzelzellenebene zum Erfolg zu führen und ein besseres Verständnis der Funktionsweise des neuartigen Coronavirus zu erlangen, das für die COVID-19-Pandemie verantwortlich ist.

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Das Verständnis der Funktionsweise des für die COVID-19-Pandemie verantwortlichen neuartigen Coronavirus (SARS-CoV-2) ist ein wichtiger Schritt für die Entwicklung einer erfolgreichen Behandlung. Die Charité und das Berliner Institut für Gesundheitsforschung (Berlin Institute of Health, BIH) verwenden die HPC-Architektur (High Performance Computing) von Intel, um auf hocheffiziente Weise eine rechenintensive RNA-Sequenzierung auf Einzelzellenebene erfolgreich durchzuführen. Intel ist gut positioniert, um diese Bemühungen durch sein fundiertes IT-Wissen, die Größe seines Technologie-Partnerumfeldes und seine Erfahrung im Gesundheits- und Biowissenschaftsbereich zu unterstützen.

Auf einen Blick

  • Forscher am Berliner Institut für Gesundheitsforschung (BIH) stehen bei ihren Bemühungen um ein Verständnis von COVID-19 an vorderster Front
  • Die Genomanalyse erfordert eine enorme Menge an Rechenleistung, aber Kosteneffizienz ist ein Problem
  • Das BIH konnte die Anzahl der durch die Analyse fließenden Zellen um 70 Prozent erhöhen1
  • Die enge Zusammenarbeit zwischen Intel, Dell, SVA und dem BIH führte zur effizienten Entwicklung, Lieferung und Installation und ermöglichte eine schnelle Inbetriebnahme

Herausforderung

Die Wissenschaftler des BIH versuchen, Tausende von Zellen mithilfe der Einzelzell-RNA-Sequenzierung zu untersuchen, um ein besseres Verständnis der Funktionsweise des neuartigen Coronavirus zu erlangen. Eine solche Sequenzierung erfordert jedoch immense Rechenleistung. Die bestehende Infrastruktur des BIH reichte für diese Aufgabe nicht aus und das Budget war knapp. Das BIH musste seine Sequenzierungsaufgaben schneller ausführen, ohne das Budget zu strapazieren.

Lösung

BIH beriet sich mit Intel, Dell und dem Systemintegrator System Vertrieb Alexander GmbH (SVA), um eine technisch und wirtschaftlich optimierte Lösung zu entwickeln. Die Lösung nutzt das Know-how von Intel in der Genonanalyse und verwendet die Hardware-Konfiguration der Intel® Select Solution für die Genomanalyse.

Ergebnisse

Das BIH Zentrum Digitale Gesundheit hat gezeigt, dass die Untersuchung von Proben aus genau definierten Teilen des menschlichen Atmungssystems neue Erkenntnisse über die Anfälligkeit von Wirtszellen und die zelluläre Reaktion auf eine SARS-CoV-2-Infektion liefern kann. In Zusammenarbeit mit Intel und Dell konnte das BIH die Anzahl der Zellen, die sequenziert werden konnten, kostengünstig um 70 Prozent steigern. Dies wurde erreicht, indem die Anzahl der verfügbaren HPC-Knoten erhöht und die Analyse-Workloads optimiert wurden.1

Beschleunigung der Forschung zur Verlangsamung des Virus

Die Welt hat sich zusammengeschlossen, um der COVID-19-Pandemie entgegenzuwirken. Bei diesen Bemühungen stehen Molekularforscher an vorderster Front. Jeder Beitrag zu diesen Bemühungen macht einen Unterschied. Die Charité und das BIH glauben, dass ihre Wissenschaftler ihre langjährige Forschungserfahrung nutzen können, um die Infektionsstrategien des Virus und das Fortschreiten der Krankheit zu untersuchen. Das Verständnis, welche Arten von Zellen SARS-CoV-2-Angriffe verursachen, kann dazu beitragen, Risikopatienten zu identifizieren und das Design gezielter Behandlungstherapien zu beeinflussen. Der Aufbau dieses Verständnisses erfordert jedoch die separate Sequenzierung der RNA von Tausenden Einzelzellen, um die Zellen zu identifizieren, die am anfälligsten für Infektionen sind.

Die Sequenzierung der RNA einer Einzelzelle dauert ungefähr einen Tag, während die anschließende Datenanalyse Tage bis Wochen dauert und sehr rechenintensiv ist. Die vorhandenen HPC-Ressourcen des BIH waren unzureichend – die Durchführung der Forschung würde einfach zu lange dauern. Daher musste das BIH erheblich in Rechenkapazitäten investieren, um die Analyse-Workflows zu beschleunigen. Wie bei vielen Organisationen ist das Budget des BIH stark strapaziert, was bedeutet, dass sowohl die vorhandenen als auch die zusätzlichen HPC-Ressourcen so effizient wie möglich sein müssen. Dies umfasst die Optimierung der Hardwarekonfiguration und der Workload-Leistung.

Angesichts der globalen Bedrohung durch das SARS-CoV-2-Virus sind wir als Wissenschaftler verpflichtet, alle unsere wissenschaftlichen Erkenntnisse zu bündeln, um das Virus und seine Infektionsstrategien sowie das Fortschreiten der Krankheit von COVID-19-Patienten zu verstehen und somit Hochrisikopatienten besser identifizieren und neue Therapien und Impfstoffe entwickeln zu können. Jeder Beitrag zu diesen Bemühungen macht einen Unterschied.“ - Professor Axel R. Pries, kommissarischer Vorstandsvorsitzender des BIH und Dekan der Charité – Universitätsmedizin Berlin

High-Performance-Computing (HPC) im Dienst der Welt

Um ein besseren Verständnis der Funktionsweise von SARS-CoV-2 zu erlangen, untersuchte das BIH Zentrum Digitale Gesundheit Proben aus den unteren Atemwegen von 16 nicht mit Viren infizierten Patienten, was zu fast 58.000 Zellen führte. Ziel war es festzustellen, welche Arten von Zellen in der Lunge anfällig für Infektionen sind – und warum. In einer anderen Studie untersuchten die Forscher die Zell- und Transkriptionslandschaft in den Atemwegen von 19 COVID-19-Patienten im Vergleich zu SARS-CoV-2-negativen Patienten. Diese Forschungsstudie verhalf den Wissenschaftlern zu einem besseren Verständnis der Reaktion des Wirts auf eine SARS-CoV-2-Infektion und die Mechanismen, die mit der Schwere der Krankheit verbunden sind. In enger Zusammenarbeit mit Intel, Dell und dem Systemintegrator SVA führte das BIH zunächst einen Proof-of-Concept mit acht HPC-Knoten durch. Anschließend konnte das BIH die Anzahl der Knoten seines HPC-Clusters kostengünstig von 40 auf 68 Knoten erhöhen (eine Steigerung um 70 Prozent).

Die Lösung nutzt das Know-how und die Referenzdesigns von Intel für die Genoanalyse, insbesondere die Intel® Select Solution für die Genomanalyse. Die Lösung mit Intel® Xeon® Gold 6252 Prozessoren (24 Kerne, 20,10 GHz), Intel® Rechenzentrums-SSDs der P4160-Reihe und zwei konvergierte Intel® Ethernet-Netzwerkadapter X710 mit 10 GbE (Intel® Ethernet CNA X710) befindet sich im PowerEdge R740xd Rackserver von Dell.

Intel unterstützt kritische COVID-19-Forschung

Intel arbeitet bereits seit Langem eng an zahlreichen Projekten mit dem BIH, der Charité und Dell zusammen. Das gegenseitige Verständnis und die Wertschätzung haben bereits in der Vergangenheit zu schnellen Entscheidungen bei der Bereitstellung von Rechenressourcen und Beschleunigung der Forschungsarbeiten des BIH geführt. SVA ist mit der Rechenzentrumsinfrastruktur vertraut und bietet Richtlinien und Ratschläge für die Systemkonfiguration. SVA hat Empfehlungen zu Netzwerk, Stromversorgung und Verkabelung abgegeben und eine reibungslose Integration in die vorhandene Rechenzentrumsumgebung ermöglicht. Die effiziente Entwicklung, Lieferung und Installation waren das Ergebnis der engen Zusammenarbeit zwischen Intel, Dell, SVA und dem BIH. Diese Zusammenarbeit ermöglichte dem Team eine schnelle Inbetriebnahme der neuen Ressourcen .

Intel freut sich, sein Know-how in Bezug auf HPC-Skalierbarkeit, seine für die Intel® Architektur optimierten Genomanalyse-Frameworks und seine Erfahrung im Gesundheits- und Biowissenschaftsbereich direkt für die Forschungsarbeit des BIH einsetzen zu können. Intel hofft, dass die Zusammenarbeit mit dem BIH den Wissenschaftlern zu Erkenntnissen verhelfen wird, die den Kampf gegen die COVID-19-Pandemie unterstützen. Intel bietet nicht nur kompetente IT-Beratung, sondern unterstützt auch die Aktivitäten der Charité und des BIH mit Finanzmitteln durch die Pandemic Response Technology Initiative von Intel.

Ein Schritt näher wenn es darum geht, SARS‐CoV‐2 zu verstehen und zu bekämpfen.

Das BIH Zentrum für Digitale Gesundheit analysierte 52 Proben aus den oberen und unteren Atemwegen von 40 Personen, sowohl COVID-19-Patienten als auch nicht infizierten Spendern, was insgesamt fast 220.000 Einzelzellen ergab. Diese Forschungsstudie hat Erkenntnisse darüber zutage gefördert, welche Zellen die Rezeptoren und Kofaktoren aufweisen, die das Virus benötigt, um die Zelle zu infizieren, und wie die Wirtszellen auf die Virusinfektion reagieren. Obgleich es auf diesem Gebiet noch Forschungsbedarf gibt, insbesondere bei größeren Stichproben, können diese Erkenntnisse die Identifizierung von Risikopatienten sowie die Entwicklung gezielter Behandlungen unterstützen. Weitere Informationen zu den Forschungsergebnissen des BIH finden Sie in den folgenden wissenschaftlichen Arbeiten:

Es gibt viele Dinge, die wir über das Coronavirus nicht wissen. Dieses Forschungsprojekt und die nächsten Schritte erfordern enorme Rechenressourcen. Genau hier kann unser Fachwissen helfen." - Hannes Schwaderer, Country Manager von Intel Deutschland

Die Technologie, auf die sich diese Forschungsarbeiten stützen, ist im Kampf gegen Krankheiten unverzichtbar. Die von Intel und Dell entwickelte und optimierte HPC-Lösung erhöhte die HPC-Clustergröße des BIH um 70 Prozent. Dadurch konnte das BIH die Sequenzierung kostengünstig beschleunigen, sodass mehr Analysen pro Woche durchgeführt werden können. Durch die Verwendung von Intel® Architektur-optimierten Frameworks wie DeepVariant und GATK v2 kann das BIH seine Forschungsanstrengungen in Zukunft noch weiter ausbauen. Intel und der Gesundheits- und Biowissenschaftsbereich tragen gemeinsam dazu bei, sofortige Lösungen zu finden, die einen Unterschied in unserer Welt bewirken.

Die Charité und das Berliner Institut für Gesundheitsforschung (Berlin Institute of Health, BIH) im Rampenlicht

Mit über vier Standorten und fast 100 verschiedenen Abteilungen und Instituten ist die Charité eine der größten Universitätskliniken in Europa. Die Charité feierte 2010 ihr 300-jähriges Bestehen. Heute ist sie einer der größten Arbeitgeber in Berlin und beschäftigt 14.576 Mitarbeiter (bzw. 18.010 unter Einbeziehung ihrer Tochtergesellschaften). Der Jahresumsatz beläuft sich auf 1,8 Milliarden Euro. Das Berliner Institut für Gesundheitsforschung (Berlin Institute of Health, BIH) wurde im März 2013 von der Charité und dem Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (MDC) als einzigartiges biomedizinisches Forschungsinstitut gegründet.

Das BIH konzentriert sich auf translationale Forschung und Präzisionsmedizin. Das BIH hat sich zum Ziel gesetzt, die Prognose bei fortschreitenden Krankheiten zu verbessern und fortschrittliche Therapien für ungedeckte medizinische Bedürfnisse zu entwickeln. Das übergeordnete Ziel ist die Verbesserung der Gesundheit und Lebensqualität der Patienten. Das Institut ist bestrebt, Forschungslösungen und Innovationen bereitzustellen, die eine wertorientierte, personalisierte Gesundheitsversorgung ermöglichen. Das BIH wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und zu 10 Prozent vom Land Berlin finanziert. Die beiden Gründungsinstitutionen Charité und MDC sind unabhängige Mitgliedsorganisationen innerhalb des BIH.

Weitere Informationen

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Informationen über zugehörige Produkte und Lösungen

Produkt- und Leistungsinformationen

1BIH erhöhte die Knotenzahl seines HPC-Clusters von 40 auf 68 Knoten (ein Anstieg um 70 Prozent). Gemäß interner Beobachtungen des BIH nimmt die Anzahl der Zellsequenzierungen linear mit der Anzahl der Knoten zu.