Unterstützung von Ärzten des Nationwide Children’s Hospital bei der Behandlung von Kinderkrebs mithilfe von AWS-Serverless-Services

Das NCH in Columbus, Ohio, ist eines der größten Kinderkrankenhäuser in den USA. Das IGM am NCH ist auf die Generierung und Analyse von Genomdaten spezialisiert und hilft Ärzten mit Blut- und Krebsproben, pädiatrische Patienten besser zu behandeln. Das IGM verarbeitet 6–7 PB an Genomdaten, wobei die Datenmenge jedes Jahr um 1–2 PB zunimmt, und migrierte 2017 von einer On-Premises-Umgebung zu AWS Cloud. „Allein mit der lokalen Umgebung konnten wir unsere Ziele nicht erreichen“, sagt Grant Lammi, Cloud Development Manager im IGM am NCH. „Wir brauchten eine Lösung mit elastischeren Datenverarbeitungs- und Speicherressourcen. Deshalb migrierten wir in die Cloud.“

2021 setzte das IGM bereits AWS Step Functions ein. Als das National Cancer Institute und die Children’s Oncology Group in dem Jahr an das IGM herantraten, war es ideal aufgestellt, um das rechenintensive Projekt der molekularen Charakterisierung zu übernehmen. „Im Grunde bestand die Aufgabe darin, die Genome aller krebskranken Kinder in den USA zu sequenzieren, um zu ermitteln, ob sie für klinische Studien infrage kämen, in deren Rahmen sie behandelt werden könnten“, so Lammi. „Mit AWS konnten wir unser internes Forschungsprotokoll skalieren und in etwa 12 Monaten Fälle aus dem ganzen Land bearbeiten.“

Mithilfe von AWS-Serverless-Lösungen gewinnt das IGM wertvolle Daten aus Krebsproben von pädiatrischen Patienten. Nachdem die Proben die Sequenzierungs-Workflows durchlaufen haben, interpretiert ein Experte die Ergebnisse und erstellt zwei Berichte: einen mit anonymisierten Ergebnissen für die Forscher am National Cancer Institute und einen, der Ärzten hilft, die beste Behandlungsmethode für ihre Patienten zu bestimmen. Forscher des National Cancer Institute können diese Informationen über einen speziellen Bucket in Amazon Simple Storage Service (Amazon S3) abrufen, einen Objektspeicherservice, der branchenführende Skalierbarkeit, Datenverfügbarkeit, Sicherheit und Leistung bietet. Das Krankenhaus verwendet AWS Identity and Access Management (AWS IAM), einen Service zur sicheren Verwaltung von Identitäten und Zugriffen auf AWS-Angebote und -Ressourcen, um Patientendaten in der gesamten Pipeline zu schützen und zu verhindern, dass unbefugte Benutzer auf sensible Gesundheitsinformationen zugreifen.

Das IGM verwendet AWS Step Functions, um die Analyse von Krebsproben zu automatisieren, und führt mehrere Jobs gleichzeitig mit AWS Batch aus. Dieser Service ermöglicht die effiziente Ausführung von Hunderttausenden Batch- und Machine-Learning-Rechenaufträgen. Das Krankenhaus verwendet Amazon EventBridge, einen Serverless-Event-Bus, um während des gesamten Workflows Ereignisse auszusenden und den Fortschritt jeder Krebsprobe von der Primär- zur Sekundär- und Tertiäranalyse zu verfolgen. „Da die Sequenzierungs-Workflows durch Amazon-EventBridge-Ereignisse aktiviert werden, sind sie alle automatisiert“, sagt Lammi. „Abgesehen vom Start des Workflows ist kein manuelles Eingreifen erforderlich.“ Die Daten werden in Amazon DynamoDB gespeichert, einer vollständig verwalteten Serverless-NoSQL-Schlüsseldatenbank, die für die Ausführung von Hochleistungsanwendungen in praktisch jeder Größenordnung konzipiert ist.

Durch die Verwendung von AWS-Serverless-Services und die damit einhergehende Automatisierung konnte das IGM erhebliche Zeiteinsparungen erzielen. „Über die Automatisierung haben wir zusätzliche Zeit gewonnen“, so Lammi. „Sobald wir die Daten aus dem Labor erhalten und synchronisiert haben, brauchen wir ungefähr einen Tag, um das Genom zu verarbeiten und die Ergebnisse zur Überprüfung bereitzustellen.“ Da das Krankenhaus nicht mehr jeden Schritt im Sequenzierungs-Workflow manuell verwalten muss, wurde das Risiko menschlicher Fehler reduziert und Krebsproben können rund um die Uhr analysiert werden.

Das IGM kann sich jetzt auf die Entwicklung wissenschaftlicher Software zur Verbesserung der Behandlungsergebnisse konzentrieren, anstatt die Infrastruktur zu verwalten. Da Krebsproben schneller analysiert werden, kann das Krankenhaus Ärzten wichtige Daten zur Verfügung stellen und dafür sorgen, dass pädiatrische Patienten die Hilfe erhalten, die sie benötigen. „Es gibt Kinder, die auf die generierten Ergebnisse angewiesen sind – und sie benötigen sie so schnell wie möglich“, erklärt Lammi. „Je schneller wir die Berichte in die Hände eines Arztes bekommen, desto besser geht es den Kindern. Das ist es, was uns alle antreibt.“

Mit den Serverless-Lösungen von AWS kann das IGM schneller arbeiten als herkömmliche Krankenhausentwickler. Krebsproben von pädiatrischen Patienten können schnell analysiert werden, um Behandlungsempfehlungen auszusprechen und dadurch bessere Ergebnisse für die Patienten zu erzielen. Außerdem muss sich das IGM bei der Skalierung keine Gedanken über die Rechenkapazität machen. Die Mitarbeiter können sich sicher sein, dass alle Workflows bewältigt werden können – unabhängig von der Anzahl der auszuführenden Tests.

Das NCH plant, die Lösung künftig auf andere Programme auszuweiten, beispielsweise auf die Diagnose und Behandlung von Epilepsie und seltenen genetischen Erkrankungen. „Mit AWS-Serverless-Lösungen entfällt für uns die Wartung der Technologie, sodass wir uns auf die wissenschaftlichen Ergebnisse konzentrieren können“, so Lammi. „Wir können den Fokus darauf legen, das Leben von Kindern auf der ganzen Welt zu verbessern.“