Mini-Organe und große Daten bringt ein neues Forschungsprojekt zusammen. Es soll mit Hilfe sogenannter „KI“ die Medizinforschung voranbringen.
Forschende der Philipps-Universität Marburg, von Helmholtz Munich, Helmholtz AI, und dem Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) wollen eine der bislang umfangreichsten frei zugänglichen Bilddatensammlungen von Organoiden schaffen. Die Daten sollen helfen, KI-Modelle für die automatisierte Analyse der Mini-Organe zu entwickeln – und damit neue Möglichkeiten für die Krankheitsforschung, Medikamentenentwicklung und personalisierte Medizin eröffnen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert das Projekt „SCOPE-AI“ mit rund 330.000 Euro im Programm „Forschungsdaten und Software“.
Organoide sind im Labor gezüchtete, dreidimensionale Miniaturmodelle menschlicher und tierischer Organe. Mit ihnen lassen sich Krankheiten untersuchen und Wirkstoffe testen. Zudem können sie dazu beitragen, Tierversuche zu reduzieren.
Die Auswertung der dabei entstehenden Mikroskopiebilder ist allerdings noch weitgehend Handarbeit: aufwendig, langsam und fehleranfällig. Künstliche Intelligenz könnte diese Analyse automatisieren. Dafür fehlen jedoch bislang große und vielfältige Datensätze, in denen wichtige Zellstrukturen und -merkmale von Fachleuten markiert und zugeordnet sind. Solche Datensätze sind notwendig, um leistungsfähige KI-Modelle zu trainieren. Genau hier setzt „SCOPE-AI“ („Strukturierte, Phänotyp- und Skalen-übergreifende Organoid-Korpora als Grundlage für Künstliche Intelligenz“) an.
An der Philipps-Universität bringen Prof. Dr. Mareike Lehmann und Prof. Dr. Thomas Worzfeld ihre Expertise in der Untersuchung von Lungen- und Nierenorganoiden von Menschen und Mäusen in das Vorhaben ein. Im Mittelpunkt ihrer Forschung steht der Einsatz künstlicher Intelligenz, um sichtbar zu machen, wie sich Zellen in den Mini-Organen entwickeln, welche Eigenschaften sie annehmen und wie sie ihren Zustand verändern können. Dafür kombinieren sie verschiedene Mikroskopieverfahren mit KI-basierter Bildanalyse.
„Wir wollen mit Hilfe der künstlichen Intelligenz erkennen und messen, wie sich Epithelzellen verhalten, entwickeln und organisieren“, erklärte Prof. Dr. Mareike Lehmann vom Institut für Lungenforschung der Philipps-Universität. „So können wir Veränderungen sichtbar machen, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu erfassen sind.“
Prof. Dr. Thomas Worzfeld vom Pharmakologischen Institut der Philipps-Universität Marburg ergänzte: „Unser Ziel ist es, dafür KI-gestützte Verfahren zu entwickeln, die sich auf viele verschiedene Organe übertragen lassen. Damit wollen wir neue Möglichkeiten schaffen, um besser zu verstehen, wie flexibel Zellen auf Veränderungen reagieren und welche Rolle diese Anpassungsfähigkeit für die Funktion von Organen spielt.“
Das Projekt erzeugt drei frei zugängliche Datensätze, die jeweils auf eine konkrete Anwendung zugeschnitten sind. Alle Datensätze werden unter offener Lizenz veröffentlicht. Unter anderem geschieht das über die „NFDI4BIOIMAGE“-Infrastruktur und „Zenodo“.
Damit Forschende die Daten direkt nutzen können, stellt das Team zudem Basis-KI-Modelle, Annotationswerkzeuge und Beispiel-Workflows bereit. Das Projekt folgt so dem Ansatz von Helmholtz AI, KI-Methoden und -Ressourcen offen und breit für die Lebenswissenschaften verfügbar zu machen.
„Organoide sind ein vielversprechendes Werkzeug für die biomedizinische Forschung, doch ihre Bilder werden bis heute größtenteils von Hand ausgewertet“, erläuterte Dr. Marie Piraud. „KI kann das schneller und objektiver, braucht dafür aber gute Trainingsdaten, und genau diese fehlen bislang Mit SCOPE-AI stellen wir solche Daten aus verschiedenen Organen und Laborbedingungen frei zur Verfügung. Denn offene, gut dokumentierte Ressourcen bringen die gesamte Forschungsgemeinschaft weiter.“
Piraud ist Leiterin des KI-Beratungsteams für Gesundheit bei Helmholtz AI (am Standort Helmholtz Munich) und Co-Leiterin des Clinical AI Consultant Teams bei AI for Health. „SCOPE-AI“ wurde gemeinsam von vier Antragsteller*innen eingeworben. Das waren Dr. Marie Piraud von der Helmholtz AI, Helmholtz Munich, Prof. Dr. Mareike Lehmann vom Biomedizinischen Forschungszentrum der Philipps-Universität Marburg, Prof. Dr. Thomas Worzfeld vom Pharmakologischen Institut der Philipps-Universität Marburg und Dr. Jens Puschhof von der Nachwuchsgruppe Epithel-Mikrobiom-Interaktionen am DKFZ Heidelberg. Das Konsortium verbindet KI-Expertise mit langjähriger Erfahrung in der Organoid-, Lungen-, Nieren- und Darmforschung.
* pm: Philipps-Universität Marburg