Præcisionsmedicin og bioinformatik med 320 kilometer i timen: Når datadeling giver bedre sygdomsforståelse

I dag har læger enorme mængder data til rådighed. Data, som kan bruges til at målrette den medicinske behandling til den enkelte patients behov, men dette kræver bioinformatiske kompetencer i særklasse. Analysetilgangene udvikler sig med stor hast, og professor Jens Lundgren har derfor bragt verdens skarpeste hjerner sammen i en uge for at knække koden for, hvordan visualisering af mønstre i store datasæt og datadeling kan føre til bedre sygdomsforståelse.

På Rigshospitalet har programmører og medicinfaglige samarbejdet om at udvikle et datavarehus, hvor læger kan dele patientdata fra sundhedssystemets rutineundersøgelser. Arbejdet ledes af professor Jens Lundgren, centerleder ved Danmarks Grundforskningsfonds Center for Præcisionsmedicinering af Smitsomme Komplikationer til Immundefekter (PERSIMUNE). Lundgren var fra den 4.-8. december vært for en forskningsworkshop kaldet Modeling Immune System and Pathogen (MISP) Interactions Research Camp, hvor ca. 50 af verdens bedste bioinformatikere arbejdede sammen om at forme analyseværktøjer, som kan skabe nye landvindinger indenfor præcisionsmedicin.

På nuværende tidspunkt indeholder PERSIMUNEs datavarehus data på 150.000 patienter, der har gennemgået rutineundersøgelser på Rigshospitalet. Der er mulighed for at udvide det til at indeholde data for Danmarks befolkning.

Det er disse enorme mængder af data, som muliggør præcisionsmedicin, dvs. den mere individualiserede behandling af sygdomme som fx cancer og HIV eller infektioner, der opstår som følge af transplantationer eller kemoterapi.

Lundgrens grundforskningscenter arbejder med at identificere årsagerne til den variation i risici, der ses ved sygdomsudvikling med henblik på netop præcisionsmedicinering. Hvorfor får nogle komplikationer efter transplantationer, mens andre ikke gør? Hvem har gavn af kemoterapi, og hvorfor dør andre som følgevirkninger af behandlingen?

Svar på spørgsmål som disse findes måske på en af hylderne i det enorme datavarehus – billedligt talt, for datavarehuset har hverken hylder eller varer i traditionel forstand. Datavarehuset indeholder patientoplysninger i mængder, der er svære at forstå ikke bare for almindelige mennesker, men også for dataspecialister og læger.

”I dag har vi 3 milliarder dataelementer på ét humant gen og klassiske analysemetoder er simpelthen ikke designet til at håndtere de datamængder, vi har til rådighed. Derfor står vi i en situation, hvor cutting edge bioinformatik er en forudsætning for at nå de helt store milepæle inden for præcisionsmedicin”, siger Jens Lundgren.

National strategi for præcisionsmedicin

Det danske sundhedsvæsen har unikke muligheder for at udfolde potentialet ved præcisionsmedicin, idet der via cpr-registret er blevet opsamlet data på danskernes sygdomme og behandling i mange år. Det er fx også disse data, som indgår i Lundgrens datavarehus, der er unikt i kraft af sin komplethed og giver Danmark en klar konkurrencefordel.

”Via cpr-nummeret er det muligt at kombinere historiske data med nutidige data genereret i hospitalsvæsenet fra hele den danske befolkning. Fordelen ved disse data er bredden, altså at der ikke er nogen forudgående udvælgelse af bestemte ting, man leder efter. Disse data kan så igen kombineres med mere komplekse data ved at bruge modern -omics teknologier til at karakterisere værtsgenomet, indtrængende mikroorganismers genom, immuncellers profil og cirkulerende proteiner og metabolitter, for på den måde at skabe en systembiologisk karakteristik af patienten. Forskere kan på den måde opdage nye indgange til forståelse af sygdom og sundhed. Dette sætter Danmark i en stærk position i udviklingen af feltet for præcisionsmedicin.” – Jens Lundgren.

Regeringen og Danske Regioner har i 2017 udarbejdet en fælles national strategi for Personlig Medicin 2017-2020, og der har i 2017 været afsat 100 mio. kr. til opstartsfasen.

Jens Lundgrens grundforskningscenter er etableret i 2015 med en bevilling på 60 millioner fra Danmarks Grundforskningsfond. Helt fra begyndelsen har Lundgren investeret målrettet i at kombinere sin medicinske viden med kompetencer i bioinformatik. Dette ved først og fremmest at tiltrække en af verdens absolut førende i feltet, professor Magnus Fontes, som er ekspert i matematiske modeller, dataanalyse og visualisering af komplekse systemer.

”For at løfte feltet præcisionsmedicin er det helt afgørende, at vi udvikler vores kompetencer til at analysere og visualisere data, på en måde så vi kan anvende den information, der ligger gemt i de enorme mængder data. Det, Magnus kan, er at beherske nogle af de analysemetoder der gør komplekse data synlige så det blotte øje kan se mønstre.” – Jens Lundgren 

MISP workshop 2017

I kraft af Fontes’ og Lundgrens netværk lykkedes det er bringe folk sammen fra hele verden, som alle arbejder med at udvikle analyseredskaber, der kan håndtere og visualisere store datamængder. Hvor lægers biologiske forståelse tidligere hvilede på tal, er den præcisionsmedicinske tilgang baseret på en visualisering af, hvordan data hænger sammen i mønstre, der kan belyse, hvorfor vi reagerer forskelligt på sygdom og hvorfor sygdomme derfor også skal behandles forskelligt fra patient til patient.

Disse mønstre kan udtrykkes ved tal også, men det bliver uoverskueligt at holde styr på når der er tale om store og komplekse datamængder. Der findes mange matematiske værktøjer, som er i stand til at gruppere data, der ligner hinanden – såkaldte principielle komponenter. Ved at adskille dataelementer afhængigt af, om de kommer fra en syg eller en rask person, kan man så se, om den måde, som data grupperer sig på, er afhængig af om de kommer fra den syge eller den raske person. Når først mønstret er identificeret, gælder det derefter om at forstå, hvorfor dataene grupperede sig, som de gjorde, og derved få indsigt i de underliggende biologiske mekanismer, der driver grupperingen. For at optimere chancen for at finde nye mønstre, kræves det naturligvis, at alle dataelementerne der indgår beregningen, er af højst mulig kvalitet – derved øges ”signal-til-støj”-forholdet. På det grundlag har centret brugt mange ressourcer på at opbygge en infrastruktur for sundhedsdata af meget høj kvalitet.

Danmark er attraktiv for hele verden

Analysetilgangene er i hastig udvikling. Faktisk går det så hurtigt, at de metoder, der blev udviklet i 2015-2016 allerede er forældede. Det er afgørende, at vi samarbejder med de bedste i verden, hvis vi skal bruge den nyeste viden. MISP-workshoppen har medvirket til, at internationale dataeksperter har fået øjnene op for de muligheder, der er i det danske sundhedsvæsen og i Lundgrens datavarehus, der globalt set er unikt i sin komplethed.

“I found this experience to be extraordinary, and I very much appreciated the opportunity to be involved. As a research physician, statistician, and wet-lab cancer biologist, I feel that forums like the MISP camp will become an essential part of data-intensive research.” – Assistant Professor of Medicine, Section of Hematology/Oncology, The University of Chicago Medicine & Biological Sciences

MISP workshoppen bragte dataspecialister (kaldet bioinformatikere) fra 11 forskellige lande sammen om at løse 4 konkrete problemer ud fra 4 datasæt. Eksperimentet lykkedes over al forventning. Især var det øjenåbnende for Lundgren at se, hvor hurtigt bioinformatiske topspecialister kan applicere de beregningsværktøjer, som de mestrer, på et nyt datasæt. Herudover, hvorledes de i dialog med lægelige eksperter kan påvise nye sygdomsmønstre, der vil fostre nye landvindinger inden for præcisionsmedicin.

Mulighederne er mange, og der er videnskabelige projekter til alle. Det vigtige for PERSIMUNE fremover bliver at skabe en prioritering af projektporteføljen, men samtidigt lade sig lede ind i nye områder og der, hvor data leder dem hen, måske til forskningsfelter, de ikke havde forestillet sig på forhånd. Lige så vigtig en erfaring ved workshoppen var at konstatere, at hele analyseområdet udvikler sig utroligt hurtigt, og ingen har den perfekte analysetilgang. I dialog, med udtalt nysgerrighed, arbejdsomhed, og med et stort netværk af eksperter, vil dette område blomstre i de kommende år og gavne patienterne.