Klinische Metagenomik

Die Abteilung Virusgenomik hat am LIV eine umfangreiche Pathogenomik-Plattform zur datengetriebenen Identifizierung, funktionellen Analyse und molekular-epidemiologischen Nachverfolgung von Infektionserregern aufgebaut. Zusammen mit klinischen Partnern am UKE wird die Plattform fortlaufend weiterentwickelt, um zentralen Herausforderungen in der modernen Gesundheitsversorgung zukünftig besser begegnen zu können.

Neben dem Einsatz zur molekularen Überwachung von Infektionserregern, etwa von SARS-CoV-2 im Verlauf der vergangenen Pandemie (HHSurv Programm), nutzen wir die Plattform regelmäßig, um komplexe klinische Fälle zu untersuchen. Dabei handelt es sich insbesondere um schwer erkrankte, intensivmedizinisch behandelte Patientinnen und Patienten. In diesen Fällen setzen wir metagenomische Diagnostikverfahren ein, um Krankheitserreger rasch und umfassend identifizieren zu können.  Im Gegensatz zu klassischen diagnostischen Verfahren, die gezielt nach einzelnen bekannten Erregern suchen, verfolgt die metagenomische Diagnostik einen agnostischen Ansatz und ermöglicht die gleichzeitige  Erfassung von Viren, Bakterien, Pilzen und Parasiten in einer einzigen Analyse. Auf Basis der Hochdurchsatz-Sequenzierung zielt die Methode auf die ungerichtete Entschlüsselung der gesamten in einer klinischen Probe vorhandenen Erbinformationen. Diese Datensätze werden anschließend zur Identifikation krankheitsrelevanter Infektionserreger durchmustert. Durch die Kombination komplementärer bioinformatischer Verfahren (darunter k-mer-basierte Klassifizierung, Referenzgenom-Mapping und de novo Assemblierung mit anschließenden Datenbankabgleichen) werden sowohl Sensitivität als auch Spezifität der agnostischen Erregeridentifikation entscheidend verbessert. 

Darüber hinaus integriert die Plattform Verfahren zur Erkennung sowohl stark divergenter, wie auch derzeit noch unbekannter Erreger. Diese Methodik basiert auf dem umfassend Abgleich von Sequenzen innerhalb von Patientenkohorten, etwa innerhalb von Ausbruchsproben. Sie ist damit volllkommen unabhängig von externen Datenbanken und kann daher prinzipiell auch solche Pathogene erkennen, die keinerlei Ähnlichkeit zu bereits bekannten Infektionserregern aufweisen. 

Die bestehende Plattform bildet die Grundlage für die Weiterentwicklung einer zukunftsfähigen, datengetriebenen Infektionsdiagnostik. Zu den zentralen Herausforderungen zählen dabei die enormen Datenmengen sowie die Unterscheidung klinisch relevanter Signale von Hintergrundrauschen, bei gleichzeitig rascher wie auch möglichst ressourcenschonender Verarbeitung entsprechender Sequenzdaten. Im Rahmen der fortlaufenden Entwicklung der Plattform integrieren wir daher Künstliche Intelligenz und moderne Methoden des Maschinellen Lernens zur automatisierten Priorisierung potenzieller Krankheitserreger, zur Integration klinischer Kontextinformationen und zur Vorhersage der pathogenen Relevanz bislang unbekannter Sequenzen. Die Verfügbarkeit modernster Infrastrukturen innerhalb der LIV Technologieplattformen Hochdurchsatz-Sequenzierung und Scientific Computing, sowie die enge Verbindung zwischen LIV und dem Universitätsklinikum Hamburg Eppendorf sind wichtige Voraussetzungen für die Weiterentwicklung und Überführung der metagenomischen Diagnostik in die Patientenversorgung.  

Durch die Verbindung von Lebenswissenschaften, Digitalisierung und KI zur Verbesserung der Gesundheitsversorgung sowie zur Stärkung der Pandemie- und Ausbruchsvorsorge adressiert die Pathogenomik-Plattform des LIV wesentliche Ziele der Hightech-Agenda Deutschland.