Data-Mining Spitzeninformatiker will die Medizin revolutionieren

Seine Welt sind Computer und Algorithmen. Experten glauben, dass ein junger Wissenschaftler genau damit einmal Krankheiten und die Wirkung von Medikamenten besser vorhersagen kann. Die Erwartungen in der Fachwelt sind groß.
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Datenmengen handeln: Die Informatik soll die Medizin revolutionieren. Quelle: ap

Datenmengen handeln: Die Informatik soll die Medizin revolutionieren.

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TübingenKarsten Borgwardt hat eine Turbokarriere hingelegt. Mit 33 Jahren ist der Bioinformatiker Professor in Tübingen, hat in Cambridge, Harvard und Oxford geforscht und einen der höchst dotierten Wissenschaftspreise in Deutschland bekommen. Die Hoffnungen, die die Fachwelt in ihn setzt, sind groß: Als die Jury ihm Ende Dezember den mit einer Million Euro dotierten Alfried-Krupp-Förderpreis verlieh, betonte sie, dass Borgwardt einen Teil dazu beitrage, „das Gesundheitswesen des 21. Jahrhunderts zu revolutionieren“. Dabei macht er nichts anderes, als mit seinem Team am Computer riesige Datenmengen zu analysieren.

Am Tübinger Max-Planck-Institut für Intelligente System begegnet man einem sympathisch wirkenden Menschen, der einen völlig geerdeten Eindruck macht. „Ich war mit dem richtigen Thema zur richtigen Zeit am richtigen Ort“, meint Borgwardt ganz uneitel.

Karsten Borgwardt: Viel Hoffnung wird in den Informatiker am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme gesetzt. Quelle: dpa

Karsten Borgwardt: Viel Hoffnung wird in den Informatiker am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme gesetzt.

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Sein Thema ist das Data-Mining in den Lebenswissenschaften, also das schürfen in großen Datenmengen aus Zehntausenden von Genen und Proteinen, die wiederum aus vielen Basen und Aminosäuren aufgebaut sind. Mit Hilfe komplexer mathematischer Verfahren versucht er, am Computer große Mengen von Daten zur Biochemie von gesunden und kranken Patienten zu vergleichen, um so tiefere Einblicke in psychische und neurologische Krankheiten zu bekommen.

Borgwardt vergleicht dieses Unterfangen mit der Erkundung einer „Terra incognita“, eines unbekannten Landes. Ähnlich müsse es vor 500 Jahren den Entdeckern Amerikas gegangen sein, als sie am Anfang die Landkarte nur schemenhaft skizzieren konnten. „Wir kennen die Position vieler Gene, oft auch ihre biochemische Funktion“, erklärt er. „Wie all diese Moleküle zusammenwirken, um komplexe biologische Mechanismen zu steuern, zum Beispiel das Entstehen einer Krankheit, ist jedoch weitgehend unklar.“ Vor allem bei psychischen und neurologischen Krankheiten gebe es noch viele offene Fragen, weil das komplexe Zusammenwirken vieler Gene und Proteine eine Rolle spielt.

Große Innovationen der Medizintechnik
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Die Entdeckung der „X-Strahlen“ im Jahr 1895 führten den deutschen Physiker Wilhelm Conrad Röntgen zum Nobelpreis. Seine revolutionäre Entdeckung machte er nur zufällig bei einem Experiment mit einer Kathodenstrahlröhre. Ein Jahr später, 1896, bauten die Niederländer Heinrich Hoffmans und Lambertus van Kleef in Maastricht eines der ersten Röntgengeräte.

Arztpraxen werden auf Fehler durchleuchtet
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Der erste Herzschrittmacher wurde 1958 bei einem Patienten in Stockholm eingesetzt, nachdem es gelang ein Gerät zu entwickeln, das klein genug war. Damals mussten die Herzschrittmacher allerdings noch täglich extern neu aufgeladen werden. Heute halten sie viele Jahre, bevor ihre Batterien ausgetauscht werden müssen.

Schlaganfall bei Kindern
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Der Magnetresonanztomograph, kurz MRT, hilft Ärzten dabei, sich die Organe eines Patienten ohne eine Operation ansehen zu können. Zunächst verbreitete sich die Technik in den Bereichen der Physik und Chemie. Abgebildet wurden beispielsweise flüssigkeitsgefüllte Modelle. Ab Mitte der 1970er Jahren wurde die Technik auch für die Untersuchung von Menschen genutzt. 1981 wurde die Kernspintomographie schließlich klinisch eingeführt.

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Bei den Fortschritten im Bereich der MR-Tomographie geht es vor allem darum, bei den Patienten Stress und Ängste zu reduzieren. Eine neue Technologie macht die Untersuchung des Kopfes in der Röhre nahezu lautlos – und das bei hoher Bildqualität. Das dumpfe laute Klopfen, das mit bis zu 120 Dezibel die Lautstärke eines startenden Düsenflugzeugs erreichen kann, weicht einem kaum noch wahrnehmbaren Geräusch.

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Patienten können sich heute sogar ihre eigene Entspannungswelt aufbauen: Mit Hilfe eines über einen Tablet-PC steuerbaren Systems werden während der MR-Tomographie beruhigende Naturaufnahmen an der Zimmerdecke gezeigt, dazu kommen Musik und Lichtfarben. Das Spektrum reicht vom gemütlichen Platz am Kamin über die Südseeinsel Tahiti bis hin zum Comic für Kinder – was auch immer dem Patienten am besten dabei hilft, den Stress zu reduzieren.

Berlin, Arzt beurteilt Roentgen-und CT-Aufnahmen
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In den 1960er Jahren arbeitete der britische Elektrotechniker Godfrey Hounsfield an der Entwicklung der ersten Prototypen für die Computertomographie, bei der Röntgenstrahlen das Körpergewebe durchdringen und dreidimensionale Computerbilder produzieren. Die erste CT-Aufnahme an einem Menschen erfolgte schließlich im Jahr 1971. Und schon ein Jahr später entschied sich das Londoner Atkinson Morley Hospital für eine Anschaffung des ersten kommerziellen Gerätes.

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Mathematik ist in der CT-Bildgebung der Schlüssel zu besserer Bildqualität - aber auch zur Dosisreduktion. Die sogenannte modellbasierte iterative Rekonstruktion, ein mathematisches Verfahren zur Auswertung der Bilddaten, ist ein wichtiger technischer Meilenstein, den bis heute nur ein Hersteller vollzogen hat.

Für die Strahlendosis eines CT-Unterbauchscans fallen mit dieser Technik lediglich 0,2 Millisievert (mSv) an. Zur besseren Verdeutlichung: Auf einem Langstreckenflug von Berlin nach New York ist ein Passagier einer natürlichen Umgebungsstrahlung von 0,032 – 0,075 mSv ausgesetzt. 

* 1 Flug entspricht durchschnittlich 0,06 mSv (Helmholtz-Center)
** mit VEO, gemäß EUR - 16262 EN

Warum tritt eine Krankheit auf? Warum sprechen manche Patienten auf ein bestimmtes Medikament an, andere aber nicht? Borgwardt und seine Forschergruppe erhoffen sich, hier mit Data-Mining-Analysen Einblicke zu finden - auf dem Weg zur sogenannten personalisierten Medizin. Noch im 21. Jahrhundert, so die Hoffnung, wird es Medikamente geben, die speziell auf einen Patienten zugeschnitten sind. Auch individuelle Krankheitsrisiken könnten dann schneller entdeckt werden und Vorsorgeuntersuchungen früher greifen, so die Vision.

In Borgwardts Arbeitsgruppe wird nach mathematischen Algorithmen gesucht - nach den besten und effizientesten Rechenschritten, mit denen man diese ungeheuerliche Menge von Daten mit Hilfe des Computers durchdringen kann. „Unsere Algorithmen können nicht Krankheiten direkt behandeln, aber wir können berechnen, ob bestimmte Teile des Erbguts mit einem höheren Krankheitsrisiko statistisch zusammenhängen, und neue interessante Hypothesen liefern. Hier können dann Mediziner und Biologen weiterforschen“, erklärt er.

Borgwardt ist es etwa gelungen, durch neue Algorithmen umfassende Netzwerkstrukturen in wenige Zahlen umzuwandeln. „Komplexe Informationen über Proteine werden oft in sogenannten Graphen dargestellt, wie eine Art verzweigte U-Bahn-Karte mit Knoten und Linien. Da wir die Informationen eines solchen komplexen Graphen in wenigen Zahlen darstellen können, ist es leichter, Proteine miteinander zu vergleichen.“

Doch Borgwardt will nicht nur seine eigene Forschung voranbringen: Stolz ist er, dass aus seiner Arbeitsgruppe schon Professoren hervorgegangen sind, die in Japan, China und Dänemark lehren. Eine Doktorandin hat eine der international begehrtesten Auszeichnungen im Bereich maschinelles Lernen gewonnen.

Das Preisgeld der Alfried-Krupp-Stiftung will er nun für weitere Doktorandenstellen einsetzen. Mit Anfang 30 kümmert sich Karsten Borgwardt bereits um die „nächste Forschergeneration“. Auch für ihn selbst steht bald der nächste Schritt an. Am 1. Juni wechselt er als Professor für Data-Mining an die Technische Hochschule Zürich.

  • dpa
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