27.04.2023

Neue KI kann frühe Anzeichen von Krebs Jahre vor einem CT-Scan erkennen

Das Tool Sybil sucht nach Anzeichen dafür, wo Krebs wahrscheinlich auftreten wird. Und ist Wissenschaftler:innen nach einem Scan teilweise um Jahre voraus.
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(c) Stock.Adobe/samunella- Sybil soll frühzeitig Lungenkrebs aus einem einzigen Scan erkennen können.

Forschende in Boston stehen kurz vor einem großen Fortschritt bei der Lungenkrebsvorsorge: Eine Künstliche Intelligenz namens Sybil kann, so heißt es, frühe Anzeichen der Krankheit erkennen, Jahre bevor Ärzte sie auf einem CT-Scan finden würden.

Sybil betrachtet Scan auf andere Weise

Das neue KI-Tool wurde, einem Bericht von NBC folgend, von Wissenschaftlern des „Mass General Cancer Center“ und des „Massachusetts Institute of Technology“ (MIT) in Cambridge entwickelt. In einer Studie wurde gezeigt, dass es in 86 bis 94 Prozent der Fälle genau vorhersagen kann, ob eine Person im nächsten Jahr an Lungenkrebs erkranken wird.

Das „Center for Disease Control and Prevention“ in den USA empfiehlt aktuell, dass Erwachsene mit Lungenkrebsrisiko jährlich eine niedrig dosierte CT-Untersuchung zur Früherkennung durchführen lassen. Doch selbst bei einem regelmäßigen Screening könne es passieren, dass das geschulte Auge von Radiologen nicht alles erkennt. Hier kommt Sybil ins Spiel.

„Das bloße Auge kann nicht alles sehen“, wird Lecia Sequist, Onkologin und Programmleiterin der Klinik für Krebsfrüherkennung und -diagnostik am Massachusetts General Hospital bei NBC zitiert. „Die KI, die wir entwickelt haben, betrachtet den Scan auf eine völlig andere Weise als ein menschlicher Radiologe.“

Noch keine Zulassung

Das Problem dabei: Sybil ist noch nicht von der „Food and Drug Administration“ (FDA) für den Einsatz außerhalb klinischer Studien zugelassen.

Bisher sind über 300 KI-Tools für den radiologischen Einsatz erlaubt. Die meisten davon als Unterstützung bei der Diagnose und Behandlung von Krebs, nicht aber zur Vorhersage des künftigen Krebsrisikos einer Person.

Wachstum, Muster und Störungen

So funktioniert Sybil: Das KI-Tool sucht konkret nach Anzeichen dafür, wo Krebs wahrscheinlich auftauchen wird, sodass Ärzte wissen, wo sie suchen müssen, um ihn dann so früh wie möglich zu erkennen.

Um das Krebsrisiko vorherzusagen, stütze sich die Künstliche Intelligenz dabei auf einen einzigen CT-Scan. Es analysiert das dreidimensionale Bild und sucht nicht nur nach Anzeichen für abnormales Wachstum in der Lunge, sondern auch nach anderen Mustern oder Störungen, die Wissenschaftler noch nicht vollständig verstehen, erklärte Florian Fintelmann, Radiologe am „Mass General Cancer Center“ und einer der Forscher, die an Sybil arbeiten.

Basierend auf dem, was sie sieht, trifft die KI Vorhersagen darüber, ob eine Person in den nächsten ein bis sechs Jahren Lungenkrebs entwickeln wird. Es hätte bereits Fälle gegeben, in denen sie Anzeichen von Krebs erkannt habe, die erst Jahre später auf einem CT-Scan entdeckt worden wären.

Sybil und das Datenproblem

Allerdings gibt es noch Geburtsschwierigkeiten bei den Prognosen. Die Wissenschaftler:innen, die Sybil entwickelt haben, haben eingeräumt, dass die Daten, die zur Entwicklung des KI-Tools verwendet wurden, „noch nicht genügend afroamerikanische oder hispanische Patienten umfassen, um auf eine breite Anwendbarkeit vertrauen zu können.“

Die FDA selbst hat bereits im Vorjahr einen Schritt unternommen, um dieses Problem anzugehen: Die Organisation wird künftig von Forschern und Unternehmen, die eine Zulassung für medizinische Produkte beantragen, die Vorlage eines Plans verlangen, der auch die Vielfalt in klinischen Studien sicherstellt.

Weiters gibt es noch Bedenken wegen Überdiagnosen. Ärzte könnten Patienten einer möglicherweise unnötigen Biopsie für einen Knoten unterziehen, der sich als gutartig herausstellt, so die Sorge.

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J. Christopher Love, Biotechnologie
© MIT - J. Christopher Love vom MIT.

J. Christopher Love ist Mitglied des „Koch Institute for Integrative Cancer Research“ am MIT (Massachusetts Institute of Technology). Außerdem ist er assoziiertes Mitglied am „Broad Institute“ sowie am „Ragon Institute“ von MGH (Massachusetts General Hospital), MIT und Harvard. Er erwarb einen Bachelor of Science in Chemie an der University of Virginia und promovierte in physikalischer Chemie an der Harvard University.

Biotechnologie im Wandel

Seine Forschung konzentriert sich auf die Weiterentwicklung von Ansätzen der nächsten Generation für eine zugängliche und erschwingliche Bioproduktion und auf Einzelzellanalysen bei chronischen Krankheiten wie Krebs und Nahrungsmittelallergien. Er war 2015 als „Distinguished Engineer in Residence“ bei Biogen tätig und ist Gründungsdirektor des „Alternative Host Research Consortium“ am MIT. Er hat außerdem vier Unternehmen für biopharmazeutische Dienstleistungen und Technologien mitbegründet, darunter Honeycomb Bio, OneCyte Bio und Sunflower Therapeutics.

„Große Chance“

Liest man sich die Publikationen von Love durch, so merkt man, dass sein Spezialgebiet , die Biotechnologie, großflächige Veränderungen durchläuft und so Einfluss darauf ausüben wird, wie wir Lebensmittel produzieren, Energie nutzen und Krankheiten behandeln – so seine Message. Love spricht dabei von völlig neuen Wegen, um globale Herausforderungen zu bewältigen.

Denn nicht nur die wachsende Weltbevölkerung und die steigende Nachfrage nach Lebensmitteln setzen die traditionellen Landwirtschafts- und Viehzuchtmethoden unter Druck, auch die Forderung von Konsument:innen nach nachhaltiger Produktion trägt ihres dazu bei. Durch Fortschritte in der synthetischen Bio- und Fermentationstechnologie könnten alternative Proteinquellen entwickelt werden.

„Das ist eine große Chance“, sagt Love, „verschiedene Produkte zu nutzen, um die Herstellung zu revolutionieren, indem wir biologische Prozesse gezielt steuern und Organismen für die Produktion einsetzen. In den letzten 15 bis 20 Jahren haben sich diese Ansätze erheblich weiterentwickelt. Früher haben wir uns darauf beschränkt, Biotechnologie nur in Bereichen wie Bier- und Weinherstellung zu nutzen. Heute können wir damit Materialien für Kleidung, Lebensmittel und Medikamente herstellen – ein enormer Fortschritt.“

Diese Entwicklungen würden, dem Forscher nach, alles betreffen, von mRNA-Technologien über Zelltherapien bis hin zu chemischen Prozessen. Sie könnten die Biotechnologie grundlegend verändern – ähnlich wie es die chemiebasierte Produktion einst getan habe.

Nachhaltige Produktion

„Für die Herstellung von ‚prepared food‘ werden Zutaten wie Milchproteine benötigt“, so Love weiter. „In der Zukunft könnten alternative Proteinquellen verwendet werden, die ähnlich wie Fleisch schmecken. Das ist jetzt bereits möglich. Die Herausforderungen liegen in der Fähigkeit, diese Produkte in ausreichender Menge zu produzieren und dabei die Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Trotz wachsender Beliebtheit gibt es aber weiterhin Herausforderungen bei der Innovation und Weiterentwicklung dieser Technologien.“

Loves Erfahrung nach zeigen jedoch große Unternehmen bereits starkes Interesse an der Nutzung von Biotechnologie, wobei sie wohl vorerst in kleineren Maßstäben übernommen werde. Das Potential für eine breitere Anwendung wachse jedoch, so seine Sichtweise.

Biotechnologie als Kostensenkungs-Tool für Medizin

Loves Arbeiten haben neben der Lebensmittelthematik auch den Fokus auf die Behandlung von Krankheiten. Besonders biopharmazeutische Produkte und Injektionen seien von entscheidender Bedeutung in der Medizin, insbesondere bei der Behandlung von Krankheiten wie Krebs, Autoimmun- und infektiösen Erkrankungen. Die Herstellung dieser Produkte habe sich, dem Wissenschaftler nach, erheblich verbessert. Insulin war eines der ersten Produkte, das 2021 in großem Maßstab hergestellt wurde, ebenso wie Antikörper. Die Fortschritte in der Biotechnologie hätten es ermöglicht, solche Behandlungen auf breiterer Basis anzubieten. Nun müsse man den nächsten Schritt gehen.

Für Love ist es nämlich eine wichtige Frage, wie Biotechnologie verwendet werden kann, um Medikamente erschwinglicher zu machen: „Es gibt absolut erstaunliche Möglichkeiten, diese Werkzeuge auch für andere therapeutische Ansätze zu nutzen, wie etwa die frühzeitige Erkennung von Krebs, postoperative Behandlungen oder sogar die Entdeckung von Krankheiten in frühen Stadien. Große Industrien haben sich entwickelt, um Blutproben zu verwenden, damit sie kleine Fragmente von DNA erkennen, um den Zustand von Krebserkrankungen zu diagnostizieren“, sagt er.

Das Zeitfenster

„Eine Hürde herbei ist, dass kleine Mengen von Biomarkern (Anm.: messbare Indikatoren im Körper, die auf bestimmte Zustände oder Krankheiten hinweisen) schnell vom Körper zerstört werden. Ein Kontrastmittel, das wir vor der Untersuchung injizieren können, könnte helfen, sie im Kreislaufsystem zu stabilisieren und ihre Zeit im Körper zu verlängern. Es gibt nur ein kleines Zeitfenster, in dem diese Biomarker effektiv genutzt werden können. Wenn wir in der Lage sind, dieses Zeitfenster zu verlängern, könnte das erhebliche Auswirkungen auf die Diagnostik haben“, so Love.

Er denkt hier dabei daran, diesen diagnostischen Prozess in die Routineversorgung zu integrieren: „Unser Ziel ist es, diese Marker als primäre Diagnosemethode etwa eine Stunde vor der Untersuchung zu injizieren, ähnlich wie bei Hämoglobinmessungen in Kliniken.“

Love wird seine Ideen zur Biotechnologie und ihrer Rolle bei der Bewältigung globaler Herausforderungen für Interessierte auf der MIT-Konferenz am 26. und 27. März in der WKÖ in Wien vorstellen.

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Für Love ist es nämlich eine wichtige Frage, wie Biotechnologie verwendet werden kann, um Medikamente erschwinglicher zu machen: „Es gibt absolut erstaunliche Möglichkeiten, diese Werkzeuge auch für andere therapeutische Ansätze zu nutzen, wie etwa die frühzeitige Erkennung von Krebs, postoperative Behandlungen oder sogar die Entdeckung von Krankheiten in frühen Stadien. Große Industrien haben sich entwickelt, um Blutproben zu verwenden, damit sie kleine Fragmente von DNA erkennen, um den Zustand von Krebserkrankungen zu diagnostizieren“, sagt er.

Das Zeitfenster

„Eine Hürde herbei ist, dass kleine Mengen von Biomarkern (Anm.: messbare Indikatoren im Körper, die auf bestimmte Zustände oder Krankheiten hinweisen) schnell vom Körper zerstört werden. Ein Kontrastmittel, das wir vor der Untersuchung injizieren können, könnte helfen, sie im Kreislaufsystem zu stabilisieren und ihre Zeit im Körper zu verlängern. Es gibt nur ein kleines Zeitfenster, in dem diese Biomarker effektiv genutzt werden können. Wenn wir in der Lage sind, dieses Zeitfenster zu verlängern, könnte das erhebliche Auswirkungen auf die Diagnostik haben“, so Love.

Er denkt hier dabei daran, diesen diagnostischen Prozess in die Routineversorgung zu integrieren: „Unser Ziel ist es, diese Marker als primäre Diagnosemethode etwa eine Stunde vor der Untersuchung zu injizieren, ähnlich wie bei Hämoglobinmessungen in Kliniken.“

Love wird seine Ideen zur Biotechnologie und ihrer Rolle bei der Bewältigung globaler Herausforderungen für Interessierte auf der MIT-Konferenz am 26. und 27. März in der WKÖ in Wien vorstellen.

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