Берлинский институт здравоохранения: использование высокопроизводительных вычислений на благо всего мира

Исследователи из Центра цифрового здравоохранения Берлинского института здравоохранения используют научные методы для изучения патофизиологии COVID-19, что позволяет определить методы целенаправленного лдечения.

Когда мир столкнулся с пандемией COVID-19, ученые всего мира усиливают потенциал исследований, чтобы «взломать код» и узнать, как работает вирус SARS-CoV-2: какие типы клеток он поражает? Можем ли мы использовать эту информацию для выявления пациентов с высоким риском? Можем ли мы «сбить с толку» вирус с помощью этих знаний, чтобы он не мог заражать клетки? Как изменяется клеточный и транскрипционный ландшафт после заражения вирусов SARS-CoV-2? Как реагирует иммунная система хозяина?

Два исследовательских учреждения, которые совместно работают над поиском ответов на эти вопросы, — это Берлинский институт здравоохранения (BIH) и Верлинский медицинский университет в Шарите. BIH совместно с корпорацией Intel оптимизирует вычислительные ресурсы и ускоряет обработку рабочих нагрузок в области анализа данных.

Секвенсирование РНК отдельных клеток помогает выявить подверженные атакам вируса клетки

Предыдущие исследования показали, что:

  • вирус SARS-CoV-2 прикрепляется к конкретному рецептору (ACE2) на поверхности клеток хозяина;
  • для проникновения вируса в клетку требуется наличие какминимум еще одного кофактора (TMPRSS2).

«Мы хотели узнать, какие конкретно клетки подвержены атакам коронавируса», — объясняет доктор Кристиан Конрад, который работает в Центре цифрового здравоохранения.

BIH изучает механизм заражения коронавирусом нового поколения. (Изображение любезно предоставлено Markus Hoffmann/Deutsches Primatenzentrum)

Опираясь на эти данные аналитики, BIH, Charité и другие партнеры по сотрудничеству в Гейдельберге намерены изучить образцы клеток нижней части дыхательных путей у 16 инфицированных вирусом лиц. Их цель заключалась в том, чтобы определить, какие типы клеток в легких и бронхах уязвимы для инфекции. Работа BIH включает секвенсирование РНК на уровне отдельной клетки с использованием примерно 60 000 клеток. Были выявлены все известные типы клеток в легких и бронхах человека. На основании выводов исследователи предположили, что атакам вируса в больей степени подвержены клетки эпителия. Знание того, какие клетки атакует вирус, может помочь другим исследователям в разработке стратегии противодействия вирусу. Результаты этого исследования были опубликованы в журнале EMBO.

Секвенсирование РНК отдельных клеток пациентов с COVID-19

Завершив первоначальное исследование незараженных клеток легких и бронхов, BIH и Центр цифрового здравоохранения в сотрудничестве с Charité и университетсткой клиникой в Лейпциге изучили пробы из верхней и нижней части дыхательного тракта у 19 больных COVID-19, чтобы лучше понять заболевание. Ученые также исследовали различия на уровне отдельных клеток у пациентов с умеренными симптомами в сравнении с паицентами с тяжелыми симптомами и смертными случаями. Несколько образцов, взятых у одного и того же пациента в разные периоды времени дали исследователям возможность изучить изменения в клетках и транскрипицонные изменения в ходе прогрессирования заболевания. В общей сложности было изучено 36 образцов из дыхательных путей от 24 человек и примерно 160 000 отжельных клеток. Это позволило сделать ценные выводы о реакции иммунной системе на месте первичного заражения и о механизмах, связанных с тяжестью заболевания. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Biotechnology.

Ускоренние исследований

Изучение транскрипционных профилей тысяч клеток из дыхательных путей 40 пациентов оказалось непростой задачей, и BIH обратился за помощью к Intel и Dell. Корпорация Intel выделила финансовые средства в рамках Технологической инициативы в ответ на пандемию и помогла спроектировать оптимизированную архитектуру для высокпроизводительных вычислений с учетом рабочих нагрузок в BIH.

Используя аппаратную конфигурацию специализированного решение Intel® для анализа геномов в качестве отправной точки, корпорации Intel, Dell и системный интегратор Vertrieb Alexander GmbH (SVA) быстро представили готовое производственное решение. BIH первоначально проверил концепцию с использованием кластера высокопроизводительных вычислений из восьми узлов. Впоследствии BIH эффективно увеличил количество узлов кластера с 40 до 68 (увеличение на 70 %). Согласно BIH, количество клеток, которые можно проанализировать в определенный период времени, прямо пропорционально количеству узлов. Выполняя секвенсирование РНК большего количества клеток, исследователи BIH могут ускорить изучение реакции клеток хозяина после инфицирования. Затем они могут дать дополнительные сведения о том, как можно остановить вирус или по крайней мере замедлить его.

Выполняя секвенсирование РНК большего количества клеток, исследователи BIH могут ускорить изучение реакции клеток хозяина после инфицирования. Затем они могут дать дополнительные сведения о том, как можно остановить вирус или по крайней мере замедлить его.

Следующие шаги

BIH — Центр цифрового здравоохранения продолжает изучать образцы тканей пациентов с COVID-19, чтобы лучше понять реакцию хозяина и патофизиологию COVID-19. Дальнейшие исследования будут сосредоточены на анализе РНК отдельных клеток и геномов. В совокупности эти данные могут в конечном итоге привести к выработке дополнительных стратегий лечения инфекций SARS-CoV-2. Корпорация Intel стремится содействовать этим усилиям, поскольку отрасли информационных технологий, здравоохранения и биологических наук совместно помогают добиться реальных результатов.

Познакомьтесь с недавним опытом клиентов, историями успеха и рассказами об инновациях, ориентированных на данные.

Уведомления и отказ от ответственности

Intel не контролирует и не проверяет сторонние данные. Для оценки точности следует обращаться к другим источникам информации. Для работы технологий Intel® может потребоваться оборудование, программное обеспечение или активация сервисов. Ни один продукт или компонент не может обеспечить абсолютную защиту. Ваши расходы и результаты могут отличаться.

© Корпорация Intel. Intel, логотип Intel и другие товарные знаки Intel являются товарными знаками корпорации Intel или ее подразделений. Другие наименования и товарные знаки являются собственностью своих законных владельцев.