Kunstig intelligens - din framtidige kollega

Verktøyene for å analysere prøver blir mer og mer avanserte. Mens dagens versjon av persontilpasset medisin ofte handler om å teste for spesifikke genvarianter, blir omfattende genetiske utredninger stadig billigere og mer tilgjengelige.

Utviklingen har medført produksjon av datamengder som er så store at det ikke er menneskelig mulig å identifisere alle mønstrene og tolke alle funnene i dem. Da er det en fordel at også IT-verktøyene blir stadig mer avanserte.

For framtidas bioingeniører kan det bli en sentral oppgave å overvåke analysejobben som utføres ved hjelp av kunstig intelligens.

Den persontilpassede medisinen, også kalt presisjonsmedisin, er likevel ikke et fenomen for framtida. Den er her nå, selv om potensialet for å øke tilpasningen og presisjonen er enormt.

Når opioider ikke virker

Frank Skorpen er professor ved Institutt for klinisk og molekylær medisin ved NTNU, og har bioingeniørbakgrunn.

– Medisinen har alltid vært persontilpasset så godt som mulig, men plutselig har vi fått veldig mye bedre verktøy for å få det til, sier han.

Skorpen og forskningsgruppen hans har blant annet påvist genetiske varianter som medfører redusert – eller ingen - respons på opioider. Dette er viktig informasjon for anestesileger og alle andre som behandler smerte.

– Vi har jobbet mye med smertelindring for kreftpasienter i siste fase, hvor de fleste får morfin eller tilsvarende. Vi ser at en god del av disse pasientene ikke oppnår tilfredsstillende lindring, sier Skorpen.

Folk som har homozygot Arg181Cys-mutasjon i opioidreseptorgenet får ingen smertelindring fra morfin i det hele tatt. Dette er tilfelle hos 1 av 40 000.

Opp mot 1 av 100 har mutasjonen på bare ett av kromosomene, og dermed halvparten så mange funksjonelle opioidreseptorer som vanlig. De trenger høyere dose medisin for å få samme grad av lindring.

Etablerte ny test

– Siden vi publiserte funnene i 2016, har jeg stadig vekk fått telefoner om pasienter som ikke responderer som forventet på opioider, både fra leger og fra pasientene selv, forteller Skorpen.

Den relativt hyppige forekomsten av mutasjonen medførte etablering av Arg181Cys-analyse ved Senter for psykofarmakologi (SFP) ved Diakonhjemmet sykehus i Oslo.

Laboratoriet har tilbudt analysen siden januar i år, og så langt har de analysert prøver fra cirka 200 pasienter. Det opplyser Marianne Kristiansen Kringen, enhetsleder for farmakogenetiske analyser ved SFP og førsteamanuensis ved bioingeniørutdanningen ved OsloMet.

– Den aller første pasienten vi testet hadde mutasjonen på begge sine kromosomer, men foreløpig har vi ikke funnet den hos andre, forteller hun.

Det vil nok forandre seg, for laboratoriet har opplevd økt etterspørsel etter denne analysen.

– Vi forteller om funnene på kurs og seminarer, så genvarianten blir mer og mer kjent, sier Kringen.

Genetiske analyser

Kunnskapen om hvordan visse genetiske varianter forårsaker veldig ulike virkninger av bestemte legemidler og doser, øker stadig. Fagfeltet heter farmakogenetikk, og er et viktig område innen persontilpasset medisin.

– Når det gjelder genetikk, er det største analysevolumet hos oss antidepressiva eller antipsykotika, forteller Kringen.

De fleste psykofarmaka blir metabolisert i kroppen via et system av enzymer som kalles CYP (Cytokrom P450). Terapisvikt og plagsomme bivirkninger er et problem i behandlingen av mange pasienter med psykiske lidelser, og forklaringen kan ofte være variasjoner i CYP-systemet.

For enkelte er variasjonene genetisk bestemt, og kunnskap om dette kan gi grunnlag for å skreddersy medisineringen til hver enkelt pasient. Mens noen må ha langt under anbefalt dose for å unngå bivirkninger, må andre ha langt over for å få effekt.

– Vi anbefaler genetiske analyser ved bivirkninger eller manglende effekt, forteller Kringen.

SFP anbefaler altså ikke screening før man begynner på denne typen legemidler, med mindre det er snakk om alvorlige diagnoser hvor man vil unngå prøving og feiling. Isteden måles gjerne legemiddelkonsentrasjonene i blodet. Det gir informasjon om både etterlevelse og legemiddelomsetning i kroppen, og er en beslutningsstøtte for legen ved videre valg av behandling.

Kringen er usikker på om det kommer til å bli mer rutine å kjøre genetiske analyser i forkant av medisinering.

– Oppgang i antallet analyser tyder på at mange leger syns dette er nyttig, sier hun.

Flytende biopsi

Farmakogenetikk er langt fra det eneste feltet innen persontilpasset medisin. For eksempel har Skorpens forskningsgruppe flyttet fokus fra behandling av smerte til behandling av kreft. For den enkelte kreftpasient kan behandlingen i mange tilfeller skreddersys ut fra genetisk profilering av kreftsvulster.

– Vi jobber med å framskaffe genetisk informasjon om tumoren ut fra en blodprøve – en såkalt flytende biopsi. Det kan bidra til å gjøre behandlingen mer målrettet, forteller Skorpen.

Avhengig av pasientens alder og helse, samt plasseringen av tumoren, kan det for eksempel være vanskelig eller risikofylt å ta en biopsi. En liten biopsi er heller ikke alltid representativ for hele tumoren.

En flytende biopsi kan påvise genetisk materiale som svulsten har avgitt til blodbanen, men det krever svært sensitive og spesifikke teknikker.

– Mengden av mutasjoner i en blodprøve kan også gi viktig informasjon om behandlingen er virkningsfull, eller gi tidlig informasjon om kreften er på vei tilbake. Til dette formålet kan flytende biopsier være mer sensitive enn dagens bildediagnostikk med røntgen eller CT, sier Skorpen.

Arvelig kreft

Kreft er også fokus for Wenche Sjursen, førsteamanuensis ved Institutt for klinisk og molekylær medisin ved NTNU og molekylærgenetiker ved St. Olavs hospital. Hun har også bakgrunn som bioingeniør.

– I vår forskningsgruppe jobber vi med arvelige sykdommer, og vi prøver å finne årsakene til at noen familier har høyere risiko for kreft. Her trengs det ofte mer forskning før vi kan ha nytte av de genetiske opplysningene. Klinikknær forskning er avgjørende, sier Sjursen.

Det første hun gjør når hun finner en ny genvariant, er å søke via internett for å se om noen andre har funnet akkurat den varianten tidligere, og om det finnes opplysninger om den som kan være til nytte.

Sjursen forteller at hasteanalyser innen medisinsk genetikk er i ferd med å bli vanligere i forkant av operasjoner.

– Dersom brystkreften er arvelig, er det mulig at kirurgen vil gjøre et mer radikalt inngrep, og kanskje fjerne det andre brystet også – som et forebyggende tiltak, sier hun.

Framover håper Sjursen at det blir økt forståelse av sykdommer ut fra mer enn bare ett gen, som i stor grad har vært praksis så langt.

– For mange sykdommer kan det være snakk om multifaktoriell arv, det vil si at flere gener spiller inn. Med kunnskap om flere gener som utgjør en risiko, vil vi kanskje kunne gjøre konkrete risikoberegninger for enkeltpasienter, sier hun.

Stordata blir viktig innen helse

Sjursen har jobbet med genetikk i 17 år, og på den tida har laboratoriene gått fra å sekvensere små fragmenter av gener, til at de nå kan ta alle genene til flere personer samtidig.

– Det har skjedd en enorm utvikling de siste 10-15 årene. Det går i retning av at vi skal se på hele genomet. Vi kommer dessuten til å bevege oss fra å kun se på endring i gener, til også å se på ulike uttrykk av gener, sier Sjursen.

Datamengdene er en av de store utfordringene. Som på mange andre samfunnsområder, er stordata i ferd med å bli et viktig begrep i helsesektoren og i hele biovitenskapen.

Én enkelt blodprøve kan gi enorme mengder informasjon, som deretter kan kobles med ufattelig mye mer informasjon som allerede finnes der ute. Det kan i teorien dreie seg om alt fra genetiske databaser til forskningslitteratur, pasientjournaler, erfaringer fra lignende pasienter, medisinske bilder eller sensordata.

Drømmesituasjonen, ifølge lege Thomas Smedsrud ved Oslo universitetssykehus, er å ha tilgang til alle typer helsedata via en teknisk plattform. Da blir det mulig å bruke selvlærende algoritmer – altså kunstig intelligens – til å se på informasjon om veldig mange pasienter. Forutsetningen er at man finner gode svar på etiske og personvernmessige utfordringer.

Smedsrud leder det store forskningsprosjektet BigMed, hvor målet er å utvikle et knippe digitale verktøy for presisjonsmedisin, og i prosessen identifisere hindringer for utviklingen.

– Ingen mennesker klarer å bla gjennom alt og identifisere mønstrene. Det kan kunstig intelligens hjelpe oss med, sier Smedsrud.

– Umulig for et menneske

Det er kanskje et stykke opp og fram før analyser rutinemessig blir tolket av kunstige intelligenser, men bioingeniørene er allerede avhengige av datamaskiner for å strukturere data og identifisere mønstre.

En helgenomanalyse av bakterien E. coli gir for eksempel rundt én gigabyte med data, forklarer Ann-Kristin Tveten, bioingeniør og førsteamanuensis ved Avdeling for biologiske fag ved NTNU Ålesund. Hun har ansvar for emnet bioinformatikk ved bioingeniørutdanningen der.

Én gigabyte er veldig mye data, som i tillegg er oppstykket. Analyseprogrammene bruker flere timer bare på å strukturere informasjonen, slik at det i hele tatt blir mulig å koble den sammen, forklarer hun.

For helgenomanalyser av mennesker snakker vi dessuten om terabyte heller enn gigabyte. Innen medisinen brukes deretter ulike bioinformatiske verktøy til å søke opp lignende mutasjoner, og til å vurdere om mutasjoner kan være skadelige.

– For å kunne utnytte informasjonen som finnes på analysesida i dag, er vi allerede avhengige av at analyseprogrammene gjør en jobb som ville vært helt umulig for et menneske, sier Tveten.

Bioinformatikk – en flaskehals?

En naturlig konsekvens er at behovet for kunnskap og ferdigheter innen bioinformatikk øker for veldig mange aktører i helsevesenet – inkludert for bioingeniørene.

– Måtene bioingeniørene gjør tester på kommer til å bli mer omfattende og avanserte. Tidligere gjorde vi separate analyser på hver komponent i blodet. Så kom analyseautomatene som kunne kjøre flere titalls analyser samtidig. Nå går vi fra spesifikke genetiske analyser til å gjøre omfattende genetiske utredninger, sier Frank Skorpen.

Siden det å produsere helsedata ikke er verken dyrt eller vanskelig lenger, ser han på informatikken som en av flaskehalsene.

– Utfordringen er å håndtere det som kommer ut. Da er vi med én gang avhengige av bioinformatkk. I tillegg til selve analyseverktøyene må vi ha et godt personvern og sikker datalagring, sier Skorpen.

Han mener sykehusene mangler kompetansen som skal til for å få de nye verktøyene i bruk i klinisk sammenheng.

– Folk med molekylærgenetisk og bioinformatisk kompetanse må inn for å oppgradere og ta i bruk de nye metodene, sier Skorpen.

Ulikt fokus på bioinformatikk

Foreløpig er det bare to av landets sju bioingeniørutdanninger som tilbyr bioinformatikk som et eget fag i bachelorutdanningen.

Bioingeniørfag ved NTNU Ålesund og ved Høgskulen på Vestlandet har hatt bioinformatikk som et eget fag i snart fem år.

– Det finnes så mange spennende verktøy, og det er viktig at studentene kan ta del i den laboratorieutviklingen som skjer, sier Ann-Kristin Tveten, bioingeniør og førsteamanuensis ved Avdeling for biologiske fag ved NTNU Ålesund. Hun er ansvarlig for bioinformatikk-faget ved bioingeniørutdanningen der.

Genanalyse for alle

Analyseapparatene endrer seg og sekvenseringsmaskiner blir mer vanlige. For bare fem år siden kostet sekvenseringsutstyret millioner av kroner, og tok så stor plass at det måtte ha et eget rom. Nå brukes benkemodeller med usb-tilkobling rett i datamaskinen. Genanalyse har blitt tilgjengelig for alle. Utviklingen endrer forutsetningene for at studentene ved bioingeniørutdanningene skal kunne forstå hva de holder på med når de kommer ut i arbeid.

– Bioinformatikk er et kjempestort fagfelt. Vi har fokus på anvendt bioinformatikk hvor verktøyene brukes enten til å tolke eller finne informasjon. Det gir studentene et kjempefortrinn når de kommer ut i arbeidslivet, forteller Tveten.

Selv om mye automatiseres, understreker hun at det fremdeles er like avgjørende å lære de grunnleggende metodene.

– Å lære studentene sekvensering blir uten verdi dersom de ikke forstår hvordan DNA er bygd opp, sier Tveten.

Etiske utfordringer

Institutt for bioingeniørfag ved NTNU i Trondheim planlegger å ta bioinformatikk inn i utdanningen i mye større grad fra og med 2020. Ved instituttet benyttes bioinformatiske verktøy i forskning, og de belyses i nåværende undervisning i ulike fag.

– Omfattende genetiske analyser er på full fart inn i den kliniske hverdagen, og vi kan vurdere store datamengder uten at det tar for lang tid. I tillegg utvikles det stadig nye typer programverktøy, sier Kristin Solum Steinsbekk, førsteamanuensis ved instituttet.

Hun trekker også fram at det er flere etiske og samfunnsmessige utfordringer ved utviklingen. Dette er allerede tema i undervisningen, men vil få et mer spesifikt fokus i et nytt fag hvor bioinformatikken blir en sentral del. Steinsbekk understreker at studentene ikke kommer til å bli bioinformatikere gjennom tilbudet.

– Vi kan gi dem noen verktøy og et begrepsapparat som gjør dem i stand til å samarbeide med bioinformatikere eller i grupper hvor bioinformatikk benyttes, sier Steinsbekk.

Vurderer eget emne

Også ved de andre bioingeniørutdanningene i landet opplyses det at noe bioinformatikk inngår i dagens undervisning, men at dette foreløpig ikke er lagt inn som et eget fag.

– Vi ønsker å utvide undervisningstilbudet vårt i bioinformatikk, og ser på muligheten for enten å lage et eget emne, eller å øke andelen bioinformatikk i emnet molekylærbiologi, forteller Maria Sangvik, førstelektor ved bioingeniørutdanningen ved Universitetet i Tromsø.

Hun understreker at dette blir stadig viktigere innen diagnostikk, og at mange bioingeniører kommer til å ha bioinformatikk som en stor del av sin arbeidshverdag fremover.