Als 2009 das H1N1-Virus
die ersten Opfer in Mexiko und den USA forderte, wuchs Siemens eine Schlüsselrolle bei der Identifizierung des Virus zu. Zum Einsatz kamen dabei Hochleistungsrechner, eine
neue Technologie zur Mustererkennung und die erste kommerzielle Anwendung einer Genanalyse in Echtzeit.
Detektivarbeit: Im Siemens-Forschungszentrum in Berkeley haben die Wissenschaftler Tests für das Schweinegrippe-Virus entwickelt. Das neue RAPID2-System hatte zuvor die H1N1-Erbgut-Sequenzen identifiziert.
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Bei Siemens sind Detektive am Werk. Sie durchsuchen genetische Codes nach Indizien, sie entwickeln schnelle und intelligente Werkzeuge, um Verdächtige aufzuspüren, und sie arbeiten eng mit Universitäten und Regierungsbehörden zusammen, um die Gesuchten dingfest zu machen. „Das ist eine Jäger-Beute-Beziehung“, sagt Gayle Wittenberg von Siemens Corporate Research (SCR) in Princeton, New Jersey. „Wir werden zwar immer besser. Doch die „Bösen“ – das heißt, die Viren und Bakterien, die wir verfolgen – sind schwer zu identifizieren, weil sich ihre genetischen Merkmale ständig verändern.“
Obwohl der Kampf gegen unsichtbare Eindringlinge wie das Methicillin-resistente Bakterium Staphylococcus aureus (MRSA), das allein in Krankenhäusern der USA pro Jahr etwa 20.000 Todesfälle verursacht, gerade erst beginnt, haben Wittenberg und andere Molekulardetektive bei Siemens bereits bedeutende Erfolge erzielt. Der wichtigste war die Identifizierung der einzigartigen Merkmale des H1N1-Grippevirus, das sich 2009 weltweit verbreitete.
Der Kampf gegen den Verursacher der sogenannten Schweinegrippe durch Siemens-Forscher liest sich wie ein Krimi: Nach einer Reihe von Todesfällen in Mexiko gaben die Weltgesundheitsorganisation (WHO) und die US Centers for Disease Control (CDC) am 14. April 2009 sieben Fälle der bislang einzigartigen Influenza-A/H1N1 in den USA bekannt. Am 27.April rief die WHO die Pandemie-Warnstufe 4 aus (der Höchstwert der Skala ist 6). Nur einen Tag später veröffentlichten die US National Institutes of Health alle bekannten Versionen des genetischen Codes des Virus im Internet. „Sobald diese Information verfügbar war, ließen wir sie durch unser Biomarker-Erkennungsverfahren für die Entwicklung schneller Diagnosetests laufen. Wir nennen es die RAPID2-Pipeline“, erklärt Dr. Dorin Comaniciu, Leiter der Medizinischen Informatik bei SCR.
Der Schlüssel zur Identifizierung jedes Krankheitserregers liege darin, erklärt Comaniciu, jene Teile des Genoms einzugrenzen, die bei allen Subtypen identisch sind: „Keine zwei genetischen Sequenzen einer Gruppe sind vollkommen identisch, doch Teile davon sind es. Die muss man finden – hier setzt unsere Technologie an. Dabei kommt uns vor allem unsere Erfahrung mit maschinellem Lernen und der Gesichtserkennung zugute, die eine ähnliche Form der Mustererkennung nutzt.“ Wittenberg, Comaniciu und andere SCR-Forscher verwendeten ein Cluster von vernetzten Hochleistungscomputern, um die H1N1-Sequenzen mit einer öffentlich zugänglichen Datenbank von Sequenzen gewöhnlicher Influenzastämme zu vergleichen. Mit Erfolg: Noch nicht einmal zwei Tage nach der Veröffentlichung der H1N1-Erbgutinformationenim Internet hatte RAPID2 die einzigartigen Sequenzen – auch „Signaturen“ oder „Primer“ genannt –, identifiziert, die den Virus von allen anderen unterscheiden.
Mit diesem Teil des genetischen Codes hatten sie das digitale Äquivalent des Fingerabdrucks seines Verdächtigen. Die SCR-Forscher leiteten diese Informationen sofort an das renommierte Forschungszentrum von Siemens Molecular Diagnostics im kalifornischen Berkeley weiter. „Dort konnte einer unserer erfahrensten Wissenschaftler die von RAPID2 generierten Signaturen nutzen, um anhand der entsprechenden Abfolge von Nukleinsäuren Nachweis-Reagenzien zu entwickeln“, erklärt Dr. Norbert Piel, der die Forschung und Entwicklung von Molecular Diagnostics leitet. Sobald die Reagenzien produziert waren, wurden sie mit dem automatisierten Molekulardiagnostiksystem VERSANT kPCR an bekannten Kopien des Virus getestet. „Bereits beim allerersten Versuch ergab sich eine perfekte Übereinstimmung zwischen den Signaturen, die wir generiert hatten, und jenen des Virus“, berichtet Piel.
Sobald es fertig entwickelt war, wurde das Testverfahren einem staatlichen mexikanischen Labor übermittelt und in einem Doppelblindversuch mit dem VERSANT kPCR-System überprüft. „Die Ergebnisse zeigten, dass unser Verfahren genauso empfindlich und wahrscheinlich sogar spezifischer auf das 2009 H1N1- Virus reagierte, als ein Test, der von den Centers for Disease Control entwickelt worden war“, erklärt Dr. James Uzgiris, Direktor von Siemens Healthcare Diagnostics. „Das liegt an der besonderen Eignung des RAPID2-Algorithmus und an der hohen Leistungsfähigkeit des VERSANT kPCR-Systems.“ Siemens hat ein Patent für die verwendeten Methoden beantragt und prüft derzeit, ob ein kommerzieller H1N1-Test entwickelt und dem Spektrum an existierenden Grippe-Tests hinzugefügt werden soll.