Mit künstlicher Intelligenz gegen Krebs
Wie lässt sich krankes Tumorgewebe gezielt zerstören und zugleich das gesunde Gewebe in der unmittelbaren Umgebung erhalten? Alexandra Walter versucht mit Daten und künstlicher Intelligenz, die Strahlentherapie noch präziser zu machen.
Wenn Menschen die Diagnose „Krebs“ erhalten, müssen sie sich auf einen schweren Kampf einstellen, der wortwörtlich an die Substanz geht: Denn bei einer Bestrahlung wird Tumorgewebe zerstört – und zugleich immer auch ein Teil gesundes Gewebe. Die Frage ist nur, wie viel gesundes Gewebe bestrahlt wird, wie groß also das Opfer ist. Gesundes Gewebe, das durch die Strahlung angegriffen wird, hat häufig danach auch eine Verminderung seiner Funktion. Eine der häufigsten Nebenwirkungen von Bestrahlung im Mund-Hals-Bereich ist etwa Mundtrockenheit, herbeigeführt durch die Beeinträchtigung der Speicheldrüsen. Für Betroffene kann das sehr unangenehm sein.
Alexandra Walter hat sich dem Ziel verschrieben, all diese Folgeschäden von Bestrahlung so klein wie möglich zu halten: in ihrer Promotion arbeitet die 26-Jährige daran, bösartige Tumore im Kopf-Hals-Bereich von Krebs-Patientinnen und -Patienten so präzise zu identifizieren, dass krankes Gewebe möglichst umfassend zerstört wird - und zugleich gesundes Gewebe in der unmittelbaren Umgebung möglichst umfassend geschont wird.
Mehr krankes Gewebe kann zerstört, und mehr gesundes Gewebe erhalten werden
Zurzeit muss ein Arzt vor einer Strahlentherapie das Gewebe auf Computertomographie-Bildern (CT) am Computer markieren, auf das der Fokus der Bestrahlung gerichtet werden soll. „Das dauert ohne Hilfsmittel bis zu drei Stunden. Bereits existierende Algorithmen nehmen als Ausgangsbasis die Daten eines anderen Patienten“, sagt Walter. Das funktioniere mittlerweile einigermaßen. Aber eben nur einigermaßen. Es kann, davon ist Walter überzeugt, noch deutlich besser werden. Mehr krankes Gewebe kann zerstört, und mehr gesundes erhalten werden. Davon würden eine Menge Menschen profizieren: Immerhin sind Kopf-Hals-Tumore mit mehr als 20.000 Neuerkrankungen im Jahr die vierthäufigste Krebsart.
In der ersten Phase ihrer Promotion an der Helmholtz Information and Data Science School for Health (HIDSS4Health) arbeitet Walter zunächst daran, ein bereits bestehendes, intelligentes Computerprogramm zu verbessern, das selbstständig Tumorgewebe erkennt und der Ärztin oder dem Arzt die Ausrichtung der Bestrahlung direkt vorschlägt. Das Programm ist ein sogenanntes künstliches neuronales Netz: Eine hochkomplexe Software, die durch eine umfassende interne Verschaltung, die ähnlich wie das Neuronennetz im Gehirn aufgebaut ist, gewissermaßen selbstständig lernt. Deshalb wird dieses System auch als eine Art künstliche Intelligenz bezeichnet. „Das Programm ist gewissermaßen trainiert, weil es zahlreiche Daten von bereits durchgeführten Bestrahlungen hat. Ich möchte das Programm verbessern, indem ich seine Struktur anpasse und neue Lernmöglichkeiten hinzufüge. Am Ende soll es deutlich präziser werden“, erklärt Walter. Für die Patienten würde das bedeuten: Die Prognose verbessert sich – und Folgeschäden, darunter etwa Schädigungen des Kehlkopfes, die mit einer verminderten Sprechfähigkeit einhergehen, werden seltener.
„Ich möchte das Programm verbessern, indem ich seine Struktur anpasse und neue Lernmöglichkeiten hinzufüge. Die Prognose der Patienten verbessert sich, Folgeschäden werden seltener."
Alexandra Walter, Doktorandin HIDSS4Health
Es ist ein Probieren, Kombinieren, Berechnen, Programmieren, eine Mischung aus Mathematik und Informatik, die Walter hier anwendet. Genau die Kombination, die sie gelernt hat: Ihren Bachelor hat sie in Tübingen im Fach Kognitionswissenschaften gemacht, dabei geht es neben der Neurobiologie vor allem auch um Informatik und Mathematik. Im Anschluss folgte ein Master mit Schwerpunkt Forschung im Fach Logik, ihre Masterarbeit hat Walter über die Interpretierbarkeit neuronaler Netzwerke geschrieben. Nun darf sie an der HIDSS4Health forschen, die Teil der Helmholtz Information and Data Science Academy (HIDA) ist, Deutschlands größtem postgradualen Ausbildungsnetzwerk in den Informations- und Datenwissenschaften. Das gefällt ihr nicht nur, weil sie hier vieles von dem anwenden kann, womit sie sich in den letzten Jahren beschäftigt hat. „Ich liebe vor allem das Interdisziplinäre hier. Das ist ja mittlerweile so ein Modewort. Aber bei meiner Promotion lebe ich tatsächlich jeden Tag das Zusammenspiel mehrerer Fachdisziplinen“, sagt Walter.
Was ist Krebs, wie entsteht er und warum ist er so schwierig zu behandeln?
Noch bevor sie vor knapp einem halben Jahr nach Karlsruhe gezogen ist, um an der HIDSS4Health ihre Promotion zu beginnen, hat sie sich mehrere medizinische Fachbücher gekauft und durchgearbeitet. „Medizin ist der Teil, der in meinem Studium am wenigsten behandelt wurde. Da muss ich am Anfang am meisten Energie investieren“, sagt Walter. Sie kennt sich jetzt in der Hals-Nacken-Anatomie aus, weiß, was Krebs ist, wie er entsteht und warum er so schwierig zu behandeln ist.
An der HIDSS4Health wurde ihr Wissen dann rasch mit Praxis, Austausch und Erklärungen belebt. Schon allein deshalb, weil an dem Programm unterschiedliche Forschungseinrichtungen beteiligt sind: das Karlsruhe Institute of Technology (KIT), die Uni Heidelberg und das Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ). Entsprechend ist HIDSS4Health auch in Heidelberg und Karlsruhe angesiedelt.
Wie alle Doktoranden des Programms hat Alexandra Walter zwei Betreuer aus zwei verschiedenen Fachdisziplinen: In Walters Fall eine Betreuerin vom DKFZ aus dem Bereich Health Science und einen vom KIT aus dem Bereich Data Science. Und dann sind da noch die Vorlesungen, die Workshops, Seminare, Summer Schools. „Die meisten dieser Veranstaltungen dienen dazu, eine Brücke zwischen Health Science und Data Science zu bauen. Ich gehe mit meinem Hintergrund auf der Seite der Data Science los, und die Kollegen und mit medizinischem Hintergrund kommen mir von der Seite der Health Science entgegen“, erklärt Walter.
Jeder weiß etwas anderes, man unterstützt sich, tauscht sich aus – und erschafft so neues Wissen
In solch einem Umfeld, wo Expertinnen und Experten aus verschiedenen Bereichen zusammenarbeiten und voneinander lernen, ist Wissen die Leitwährung. Jeder weiß etwas anderes, man findet sich zusammen, unterstützt sich, tauscht sich aus, diskutiert – und erschafft so neues Wissen.“ Bereichernd sei vor allem, dass man die gleiche Fragestellung aus verschiedenen Perspektiven betrachtet. Jeder neue Blickwinkel bringt oft auch neue Erkenntnisse. „Betrachte ich etwa neuronale Netze durch die Brille der Informatik, sind sie im Grunde Werkzeuge. Betrachte ich neuronale Netzwerke aus dem Blickwinkel der Mathematik, sind sie mathematische Funktionen. Kombiniere ich beides, kann ich die Werkzeuge besser verstehen – und verbessern. Es mag seltsam klingen, aber so etwas kann mich richtig glücklich machen“, sagt Alexandra Walter lächelnd.
Walters Lebenslauf wirkt, als hätte sie auf ihre Promotionsstelle an der HIDSS4Health seit Jahren hingearbeitet. Aber das hat sie nicht. „Ich hatte kein spezielles Ziel. Ich bin einfach immer dem gefolgt, was mich interessiert hat“, sagt Walter. Erst als sie die Bewerbung für die Promotionsstelle an der Graduate School geschrieben hatte, merkte sie: Da passe ich wirklich gut rein! Walters Weg ist das beste Beispiel dafür, dass eine gewisse Unbedarftheit manchmal richtig ist: Tue, was Dich interessiert – und der Erfolg kommt von alleine. „Bei mir hat es bisher funktioniert, und dafür bin ich dankbar“, sagt sie.
Dass Walters Promotion den Patienten tatsächlich nützen kann, ist für sie ein zusätzlicher Ansporn. „Ich war schon einige Male in den Zentren, wo die Patienten zur Bestrahlung kommen. Dass meine Arbeit helfen kann, ihr Leben zu verlängern und ihre Heilungschancen zu verbessern, verleiht allem, was ich tue, noch mehr Gewicht – zugleich fühle ich eine gewisse Verantwortung.“
„Das Programm wird Ärzte nie ersetzen können. Aber im Idealfall wird es die Bestrahlungsfokussierung selbstständig auswählen, und die Ärztin oder der Arzt muss allenfalls noch kleine Änderungen vornehmen."
Alexandra Walter, Doktorandin HIDSS4Health
Als neuronales Netzwerk lernt das Programm mit jeder Korrektur dazu
Motivation und Verantwortungsbewusstsein wird Walter auch brauchen bei dem, was in den nächsten zweieinhalb Jahren vor ihr liegt. Nach der ersten Phase – dem Verbessern der aktuellen Assistenzprogramme zur Strahlentherapie – wird Walter versuchen, auch das Wissen und die Erfahrung der Ärzteinnen und Ärzte in das neuronale Netzwerk zu integrieren. Dabei geht es unter anderem um Erfahrungswissen und um bestehende Guidelines für Strahlentherapeuten. „Das Programm wird eine Ärztin und einen Arzt nie ersetzen können. Aber im Idealfall wird es die Bestrahlungsfokussierung selbstständig auswählen, und die Ärztin oder der Arzt braucht alles nur noch abzunicken und allenfalls kleine Änderungen vorzunehmen“, sagt Walter.
Ist das Programm fertiggestellt, geht es in der dritten Phase darum, es zu optimieren. „Als neuronales Netzwerk lernt das Programm im Grunde mit jeder Korrektur dazu, die eine Ärztin oder ein Arzt macht. Aber ich will natürlich schon vor der klinischen Anwendung alles getan haben, um von Anfang an eine hohe Präzision zu haben“, erklärt Walter. Dabei geht es immer um zwei Dinge, die eng miteinander zusammenhängen: Wo soll die Strahlung hinzielen, um das Schlechte, Kranke gezielt zerstören – und was soll sie möglichst nicht treffen, um das Gute, Gesunde gezielt erhalten. Walters Mission.
Artikel: Christian Heinrich
