KI mit Infrarot-Imaging ermöglicht präzise Darmkrebs-Diagnostik

Künstliche Intelligenz und Infrarot-Bildgebung klassifizieren Tumoren automatisch und sind schneller als bisherige Methoden

16.02.2023 - Deutschland

Der immense Fortschritt im Bereich der Therapieoptionen über die vergangenen Jahre hat die Heilungschancen für Patientinnen und Patienten mit Darmkrebs deutlich verbessert. Diese neuen Ansätze wie etwa Immuntherapien erfordern jedoch eine präzise Diagnose, damit sie gezielt auf die jeweilige Person abgestimmt werden können. Forschende des Zentrums für Proteindiagnostik PRODI der Ruhr-Universität Bochum setzen künstliche Intelligenz in Kombination mit Infrarot-Bildgebung ein, um die Therapie von Darmkrebserkrankungen optimal auf den einzelnen Patienten abzustimmen. Die Label-freie und automatisierbare Methode kann bestehende pathologische Analysen ergänzen. Das Team um Prof. Dr. Klaus Gerwert berichtet in der Zeitschrift „European Journal of Cancer“ vom 28.Januar 2023.

© RUB, Marquard

Klaus Gerwert, Stephanie Schörner und Frederik Großerüschkamp (von links) wollen mithilfe Künstlicher Intelligenz die Diagnostik von Darmkrebs verbessern.

Tiefe Einblicke in menschliches Gewebe binnen einer Stunde

Das Team von PRODI entwickelt seit einigen Jahren ein neues Verfahren der digitalen Bildgebung: Das sogenannte Label-freie Infrarot (IR)-Imaging misst die genomische und proteomische Zusammensetzung des untersuchten Gewebes, liefert also molekulare Informationen anhand der Infrarotspektren. Diese Informationen werden mithilfe Künstlicher Intelligenz dekodiert und als Falschfarbenbilder dargestellt. Dazu setzen die Forschenden Bildanalysemethoden aus dem Bereich des Deep Learning ein.

Das Team von PRODI konnte in Zusammenarbeit mit klinischen Partnern zeigen, dass der Einsatz von tiefen neuronalen Netzwerken es ermöglicht, den sogenannten Mikrosatellitenstatus, einen prognostisch und therapeutisch relevanten Parameter, bei Darmkrebs zuverlässig zu bestimmen. Dabei durchläuft die Gewebeprobe einen standardisierten, benutzerunabhängigen, automatisierten Prozess und ermöglicht eine ortsaufgelöste differentielle Klassifizierung des Tumors innerhalb einer Stunde.

Hinweis auf die Wirksamkeit von Therapien

In der klassischen Diagnostik wird der Mikrosatellitenstatus entweder über eine aufwändige Immunfärbung verschiedener Proteine oder über eine DNA-Analyse bestimmt. „15 bis 20 Prozent der Darmkrebspatientinnen und -patienten weisen eine Instabilität der Mikrosatelliten im Tumorgewebe auf“, so Prof. Dr. Andrea Tannapfel, Leiterin des Instituts für Pathologie der Ruhr-Universität. „Diese Instabilität ist ein positiver Biomarker, der darauf hindeutet, dass eine Immuntherapie wirksam sein wird.“

Mit den immer besseren Therapieoptionen gewinnt auch die schnelle und unkomplizierte Bestimmung solcher Biomarker immer mehr an Bedeutung. Basierend auf IR-mikroskopischen Daten wurden am PRODI neuronale Netzwerke modifiziert, optimiert und trainiert, um die Label-freie Diagnostik zu etablieren. Anders als die Immunfärbung kommt dieser Ansatz ohne Farbstoffe aus und ist deutlich schneller als die DNA-Analyse. „Wir konnten zeigen, dass die Genauigkeit des IR-Imagings für die Bestimmung des Mikrosatellitenstatus nahe an die in der Klinik gängigste Methode, die Immunfärbung, herankommt“, so die Doktorandin Stephanie Schörner. „Durch stetige Weiterentwicklung und Optimierung der Methode erwarten wir eine weitere Steigerung der Genauigkeit“, ergänzt Dr. Frederik Großerüschkamp.

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