Kartierung neuer Zellkohorten von gesunden Personen und COVID-19-Erkrankten auf einem Referenzatlas für gesunde Zellen.
Helmholtz Zentrum München / Mohammad Lotfollahi
Ein neuer Algorithmus für die klinische Anwendung vergleicht die Zellen von kranken Menschen mit einem Referenzatlas gesunder Zellen. In der Praxis identifizieren Ärzte damit kranke Zellen genau. Ein großer Vorteil für die personalisierte Medizin.
Der Human Cell Atlas ist der weltweit größte, kontinuierlich wachsende Einzelzell-Referenzatlas. Er enthält Referenzen von Millionen von Zellen aus verschiedenen Geweben, Organen und Entwicklungsstadien. Diese Referenzen helfen, die Einflüsse von Alterung, Umwelt und Krankheit auf eine Zelle zu verstehen – und letztlich Patienten besser zu behandeln.
Die Nutzung von Referenzatlanten ist jedoch mit Herausforderungen verbunden. Einzelzelldatensätze können Messfehler enthalten – „Batch-Effekt“ genannt –, die weltweite Verfügbarkeit von Rechenressourcen ist begrenzt und die Weitergabe von Rohdaten ist oft rechtlich eingeschränkt.
Forschende des Helmholtz Zentrums München und der Technischen Universität München (TUM) entwickelten einen neuen Algorithmus namens ‚scArches‘, kurz für ‚Single-Cell Architecture Surgery‘. „Statt Rohdaten zwischen Kliniken oder Forschungseinrichtungen zu teilen, vergleicht der Algorithmus mittels Transfer-Learning neue Datensätze aus der Einzelzellgenomik mit bestehenden Referenzen. Wir nennen diesen Prozess Kartierung. So wahrt der Algorithmus die Privatsphäre und Anonymität der Patienten. Dies macht auch das Kommentieren und Interpretieren neuer Datensätze sehr einfach und demokratisiert die Nutzung von Referenzatlanten enorm“, sagt Mohammad Lotfollahi.
Beispiel COVID-19
Mit Hilfe von scArches forschte die Gruppe bereits an der Corona-Krankheit. Sie verglich die Zellen aus Lungenproben von COVID-19-Erkrankten mit gesunden Referenzzellen. Der Algorithmus war in der Lage, kranke Zellen von gesunden zu unterscheiden und ermöglichte es den Forschenden, sowohl bei leichten als auch schweren COVID-19-Fällen die betroffenen Zellen genau zu identifizieren. Biologische Variationen zwischen den Patienten hatten keinen Einfluss auf die Qualität der Kartierung.
Fabian Theis: „In Zukunft wollen wir Zellreferenzen genauso einfach nutzen, wie wir es heute mit Genomreferenzen tun. Mit anderen Worten: Wenn man einen Kuchen backt, möchte man nicht erst ein Rezept erfinden, stattdessen schlägt man einfach in einem Kochbuch nach. Mit scArches formalisieren und vereinfachen wir diesen Nachschlageprozess.“
Mohammad Lotfollahi ist Teamleiter im Labor von Fabian Theis am Helmholtz Zentrum München und Doktorand an der TUM School of Life Sciences der Technischen Universität München. Er arbeitet eng mit Fabian Theis zusammen, der Direktor des Instituts für Computational Biology am Helmholtz Zentrum München und Koordinator der Helmholtz Artificial Intelligence Cooperation Unit (Helmholtz AI) ist. Theis ist Inhaber des Lehrstuhls für Mathematische Modellierung biologischer Systeme an der TUM.
Mehr zu scArches . https://github.com/ theislab/scarches