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Politik

Sepsis­therapie mit Big Data und künstlicher Intelligenz verbessern

Montag, 27. Mai 2019

/Kateryna_Kon, stock.adobe.com

Berlin – Kann Big Data  dabei helfen, Therapieformen und Letalitäten bei Sepsis zu verändern? Michael Adamzik, Klinik für Anästhesiologie, Intensivmedizin und Schmerz­therapie, Universitätsklinikum Knappschaftskrankenhaus Bochum, und  Konsortialführer des SepsisDataNet.NRW-Projekts, ist davon überzeugt. Auf dem Hauptstadtkongress letzte Woche in Berlin präsentierte er das Konzept „Symbara“, das über eine systemmedizinbasierte, personalisierte Sepsisanalyse darauf abzielt, Morbidität und Mortalität bei dieser Erkrankung zu senken.

„Sepsis entsteht immer dann, wenn Mikroorganismen wie etwa Viren, Bakterien und Pilze unseren Organismus befallen und dann das Immunsystem außer Kontrolle gerät und bei dieser Abwehrreaktion die köpereigenen Organsysteme mit angreift“, erläuter­te der Anästhesist und Intensivmediziner. Dies könne ein „extrem schreckliches Krank­heits­bild hervorrufen“. Die Entzündungsreaktion betreffe nicht nur alte Menschen, sondern alle Altersklassen. Oft führe die Sepsis zur Verstopfung der Blutgefäße, und häufig müssten Gliedmaßen als Folge amputiert werden.

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Eine der häufigsten Todesursachen

Die Sepsis zählt zudem zu den häufigsten Todesursachen in Deutschland, sie steht nach dem Herzinfarkt und den Tumorerkrankungen an dritter Stelle. „Jeden Tag sterben 162 Patienten an dieser Erkrankung“, erläuterte Adamzik.

Zum Vergleich: Im Straßenverkehr sind es täglich neun Menschen. In den vergange­nen zehn Jahren sind die Zuwachsraten dieser Erkrankung dem Arzt zufolge um mehr als zehn Prozent angestiegen. 

„140.000 Patienten erkranken in Deutschland jährlich. Davon versterben akut 59.000 und im ersten Jahr nach dem Kranken­haus­auf­enthalt zusätzlich 28.000 Patienten“, so Adamzik. Hinzu kommt, dass diejenigen, die das erste Jahr überleben, oft mit Amputa­tionen und schweren Organschädigungen weiterleben. „Der volkswirtschaftliche Schaden dieser Erkrankung beträgt jedes Jahr 7,7 Milliarden Euro“, meinte er.  

Keine Therapiefortschritte

In den vergangenen zehn Jahren gab es zwar rund 140.000 Publikationen zum Thema Sepsis, doch seit 80 Jahren ist laut Adamzik die Letalität unverändert hoch. Auch lasse sich diese nicht nur auf mangelnde Hygiene oder Antibiotikaresistenzen zurückführen, denn selbst wenn die Bakterien eliminiert würden und am zweiten Tag bei 50 Prozent der Patienten keine Bakterien mehr nachgewiesen werden könnten, herrsche das Syndrom fort, erläuterte der Intensivmediziner. Auch durch beste hygie­ni­sche Verhältnisse habe bislang der Ausbruch der Erkrankung beziehungsweise ihr Fortgang nicht verhindert werden können. 

In den vergangenen fünf Jahren habe man geglaubt, durch personalisierte Medizin den Schlüssel für diese Erkrankung gefunden zu haben. Man habe versucht, die Erkrankungs­verläufe durch Biomarker zu beschreiben und mit individualisierten Immuntherapien zu bekämpfen, aber letztlich ohne Erfolg. „Im besten Fall haben sie nicht geschadet“, meinte Adamzik.

Kein lineares System

Weil Kausalität letztlich nicht weitergeführt hat, ist Adamzik inzwischen davon über­zeugt, dass es sich bei Sepsis um ein System handelt, das nicht linear verläuft, ähn­lich wie bei komplexen Wettersystemen.

„Unglaublich viele Varianten oder Stellgrößen befinden sich in einem System, sodass, wenn ich unten antippe, an einer ganz anderen Stelle sich etwas bewegt und das wieder zu neuen Bewegungen an einer anderen Stelle führt.“

Neue Ansätze für Erklärungsmodelle lieferte dort die Chaostheorie, 1960 entwickelt von Edward Norton Lorenz. Deren Weiterentwicklung habe dazu beigetragen, die Wetter- und Klimaphänomene besser beschreiben zu können. So lassen sich compu­tergestützt mathematische Modelle nutzen, um in einem Meer an Daten Muster zu erkennen, die oft mit Kausalität nichts zu tun haben.

Big Data und Omics-Technologien

Dies lässt sich Adamzik zufolge auf das Immunsystem übertragen. Die Daten, die für die Sepsisanalyse einbezogen werden können, sind Adamzik zufolge das Genom, Transkriptom, Epigenom, Proteom und das Metabolom. Sie liefern bereits unendlich viele Stellgrößen, die in dem System miteinander interagieren.

Diese lassen sich mittels durchflusszytometrischer Techniken beschreiben, die in den Omics-Technologien zusammengefasst werden. Darunter sind Hochdurchsatzmetho­den zu verstehen, mit denen sich etwa das gesamte Genom, Transkriptom oder Proteom einer Zelle erfassen lässt. Sie ermöglichen es, in kurzer Zeit globale, hoch­auf­gelöste molekulare Profile von Zellen, Geweben und Tumoren zu erstellen.

„Wir versuchen, die Daten durch diese Techniken zu erzeugen, und setzen künstliche Intelligenz (KI) ein, um in diesen Daten Korrelationen zu finden, die sich etwa in der Sepsis mit Überleben oder Therapieerfolg assoziieren.“ Zusätzlich könne auch der sichtbare Phänotyp in die Analyse aufgenommen werden  das sind die klinischen Daten wie Blutdruck, Haut- und Körpertemperatur sowie verschiedene andere Variablen. Diese Daten werden in intelligenten Datenbanken gespeichert, die mittels KI diese mathematischen Operationen durchführen.

„Mit Big Data, Omics-Technologien und künstlicher Intelligenz können wir heute das Krankheitsbild Sepsis vielleicht ganz neu verstehen“, hofft Adamzik. In Nordrhein-Westfalen wird das SepsisData.Net mit knapp vier Millionen Euro aus Efre-Mitteln aufgebaut, an dem sich vier Universitätsklinika, sechs Knappschaftsklinken und als technischer Partner die Firma Kairos beteiligen, berichtete er.

150 Patienten wurden bereits in das System eingeschlossen. Zusätzlich fahren täglich zwei Medizinisch Technische Assistenten (MTA) aus dem Universitätsklinikum Knapp­schaftskrankenhaus Bochum zu den vernetzten Kliniken, nehmen dort Blut ab und bereiten es so auf, dass am Ende des Projekts die größte Sepsis-Biobank in Europa entstehen soll. Aus finanziellen Gründen ist die Analyse derzeit auf das Proteom und die Zell-Zell-Interaktion beschränkt.

Anbindung an die Medizininformatikinitiative

Darüber hinaus wurden ein Konsortium gegründet, das System Symbara fertiggestellt und der Anschluss an das SMITH-Konsortium der Medizininformatik-Initiative betrie­ben. Für die weitere Vernetzung und Entwicklung werden laut Adamzik 40 Millionen Euro benötigt.

In Bochum soll die zentrale KI-basierte Datenbank am Uniklinikum aufgebaut werden. Neben der Blutabnahme und den klinischen Akutdaten steht dabei auch die Postinten­sivphase im Fokus. So werden die Patienten ein Jahr weiter beobachtet.

In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Software und Systemtechnik werden dafür neue Apps und Sensorik entwickelt, um Daten der Patienten zu Hause zu erfassen. Zusätzlich werden die Patienten zur Blutabnahme auch zu Hause aufgesucht. 

Darüber hinaus hat sich das Projekt mit der deutschen Sepsis-Kohorte in Jena zusammengeschlossen, um zu verfolgen, inwieweit Rehabilitationsmaßnahmen die Muster und Therapieerfolge verändern. Außerdem gibt es eine Kooperation mit zwei Leibnizinstituten, die mit Laserstrahltechniken (Raman-Spektroskopie-Techniken) das Blut bestrahlen, um weitere Daten daraus zu gewinnen.

Ziel sei es, „Point-of-Care-Methoden zu entwickeln, die uns mit KI helfen, das System zu ,knacken‘“, so Adamzik. Das Konzept sei voraussichtlich nicht nur für Sepsis praktikabel, sondern etwa für Alzheimer, Parkinson oder immunologische Erkrankungen, die in Syndromen verlaufen.

Retrospektive Studie anhand von Routinedaten

Stefanie Schmitz, Institut für Versorgungsforschung der Deutschen Rentenversiche­rung Knappschaft Bahn-See, Bochum, verwies darauf, dass nicht nur die Sepsis selbst mit vielen Fragen verbunden ist. Unbekannt sei auch, was danach mit den Patienten passiere, die die Sepsis überlebt haben.

Die Knappschaft hat in einer retrospektiven Studie anhand der Routinedaten ihrer Patienten die Langzeitmortalität von Überlebenden der Sepsis und deren Morbiditäts­last untersucht. In einem zweiten Analyseblock wurde untersucht, ob die Prognose unterschiedlich ist je nachdem, wohin die Patienten entlassen werden. Basis waren die Krankheitsfälle der Jahre zwischen 2009 und 2016.

Anhand von ICDs und OPS-Codes wurden 117.000 Patienten ausgewählt und in drei Gruppen unterteilt: circa 7.200 Patienten mit septischem Schock, circa 77.400 Patien­ten, die eine Sepsis mit Organversagen erlitten hatten, sowie etwa 32.500 Patienten mit einer schweren Infektion ohne Organversagen. Jedem dieser Patienten wurde ein Match zugeordnet, das heißt, ein Krankenhausfall im selben Jahr, mit gleicher Alters­gruppe, gleichem Geschlecht, ähnlicher Komorbidität und derselben Pflegestufe.   

Die Unterteilung der drei Gruppen ermöglichte im Hinblick auf die Krankenhaus­sterb­lich­keit eine Risikostratifizierung: „Der septische Schock birgt mit durchschnittlich 66 Prozent ein sehr hohes Mortalitätsrisiko im Krankenhaus“, erläuterte Schmitz. Bei der Sepsisgruppe lag die Mortalität im Schnitt bei 31 Prozent und bei der dritten Gruppe (Patienten mit einer schweren Infektion ohne Organschädigung) bei durchschnittlich 13 Prozent. Dagegen lag die Sterbewahrscheinlichkeit der Vergleichsgruppe im Schnitt bei nur sechs Prozent.

Langzeitüberleben und Pflegebedürftigkeit

Im Hinblick auf das Fünf-Jahres-Überleben nach Entlassung aus dem Krankenhaus wiesen der Studie zufolge alle drei Gruppen eine deutlich erhöhte Mortalitätsrate gegenüber der Vergleichsgruppe auf. Die Patienten mit dem septischen Schock etwa hatten gegenüber der Vergleichsgruppe das 1,7-fache Risiko, die ersten fünf Jahre nach ihrem Kranken­haus­auf­enthalt nicht zu überleben.

„Besonders entscheidend ist das erste Jahr“, erläuterte Schmitz. Von den Patienten, die eine Sepsis oder einen septischen Schock erlitten und das Krankenhaus lebend verlassen hatten, überlebten 35 Prozent nicht. Dabei gab es keinen Unterschied zwi­schen beiden Gruppen. „Die Sepsis an sich, unabhängig vom Schweregrad, bedeutet eine schwere Mortalitätslast.“

Analysiert wurde darüber hinaus auch die Morbidität der Betroffenen, etwa die Pflege­bedürftigkeit. Laut Schmitz haben die Sepsis-Überlebenden im ersten Jahr eine 30-prozentige Wahrscheinlichkeit für einen höheren Pflegegrad als bei ihrer stationären Aufnahme. Selbst bei den Patienten mit einer Infektion ohne Organversagen waren das immer noch 22 Prozent, wohingegen die Rate in der Kontrollgruppe nur bei sechs Prozent lag.

Außerdem wurde analysiert, welche Effekte sich ergeben, je nachdem, wohin die Patienten entlassen werden: in die Rehabilitation, nach Hause, in ein anderes Krankenhaus oder in ein Pflegeheim. Schmitz zufolge haben in allen drei Gruppen die Patienten, die eine Rehabilitation absolviert hatten, eine signifikant höhere Chance zu überleben – auch im Vergleich zu denjenigen, die nach Hause entlassen wurden.

Ihr Fazit: Mit den Routinedaten der Knappschaft ließ sich nachweisen, dass die Langzeit­mortalität und die Morbidität von Überlebenden einer Sepsis im Vergleich zur Kontrollgruppe signifikant höher war. „Die höchste Chance auf Überleben haben Patienten, die nach dem Krankenhaus in eine Reha entlassen wurden.“ Daher müsse der Fokus noch viel stärker auf die Nachverfolgung der Patienten gerichtet werden und darauf, wie die Nachsorge verbessert werden könne. © KBr/aerzteblatt.de

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