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Artificial Intelligence to transform Drug and Chemical safety testing

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KI- und Cloud-basierte Analyse histologischer Präparate für toxikologische Sicherheitsbewertungen

Toxizitätsbewertungen neuer Arzneimittelkandidaten erfolgen in der Regel zuerst an Tiermodellen im Labor, bevor Humanstudien folgen. Diese kritische Phase der Arzneimittelentwicklung beinhaltet in erster Linie die ‚manuelle‘ Vorauswahl Tausender Gewebeschnitte. Eine bahnbrechende Software könnte den Arbeitsablauf hier künftig deutlich vereinfachen.

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In toxikologischen Untersuchungen für präklinische Zwecke werden Tausende mikroskopischer Präparate auf auffällige Medikamentennebenwirkungen per Hand geprüft. Obwohl zur Prüfung dieser histologischen Schnitte bereits digitale Werkzeuge zum Einsatz kommen, ist dieser Prozess aber bislang ineffizienter als mit herkömmlicher Mikroskopie. Patholytix Preclinical ist eine Cloud-basierte SaaS-Lösung (Software-as-a-Service) für eine optimierte Auswertung histologischer Proben, die Zeit- und Kostenaufwand deutlich senkt und gleichzeitig die diagnostische Genauigkeit verbessert. Das EU-finanzierte Projekt PATH-TOX förderte wesentlich die Weiterentwicklung des Prototypen und Einführung durch führende Pharmaunternehmen und Auftragsforschungsinstitute.

Cloud- und KI-basierte Umgebung für die gemeinsame Auswertung histologischer Präparate

Viele Unternehmen setzen bereits auf Plattformen für die gemeinsame Cloud-basierte Nutzung von Dokumenten. Auch Pharmaunternehmen und Auftragsforschungsinstitute, die Studien an mehreren Standorten durchführen, nutzen solche Plattformen. Bei toxikologischen Analysen hinkt die Digitalisierung von Arbeitsabläufen allerdings noch hinterher. Erio Barale-Thomas, Projektkoordinator von PATH-TOX beim Unternehmen Janssen Pharmaceutica, erklärt hierzu: „Bei der SaaS von Patholytix Preclinical werden Studieninhalte über die Cloud hochgeladen, analysiert, kommentiert und exportiert. Darin enthalten sind die eingescannten histologischen Proben und alle Studiendaten, die für die Sortierung und Interpretation von Schnitten nach Tiermodell, Dosis und Organ benötigt werden. Patholytix Preclinical ermöglicht die pathologische Auswertung für eine Gruppierung aller Schnitte, aber auch für einzelne Schnitte. Dabei ist die Genauigkeit der Diagnostik mit der einer mikroskopischen Sichtung vergleichbar. Die sichere und gemeinsame Nutzung von Inhalten an mehreren Standorten durch mehrere Institute erleichtert auch unabhängige Gutachten per Fernzugang. Damit müssen keine Präparate mehr transportiert werden, was Reisezeit und -kosten für pathologische Analysen spart. Ergänzt wird dieser Prozess durch Prognosen von KI-Klassifikatoren. „Mittels Deep-Learning-Programmen, die vom Projektpartner Deciphex entwickelt wurden, können Auffälligkeiten in Gewebeschnitten entdeckt werden, ohne dass die KI explizit auf eine spezifische Anomalie programmiert werden muss. Die durch die Vorauswertung gewonnene Zeit kann in der Pathologie für wissenschaftliche Aspekte komplexerer Fälle genutzt werden, um fundiertere Entscheidungen zu treffen, etwa die vorzeitige Beendigung einer Studie, was wiederum Zeit und Kosten spart“, erklärt Barale-Thomas. Ein erster Vergleich konventioneller mikroskopischer Begutachtung mit der Methode von Patholytix Preclinical ergab eine Verkürzung der Auswertungszeit um bis zu 42 % für spezifische Aufgaben. Empfehlungen der US-amerikanischen Behörde für Lebensmittel- und Arzneimittelsicherheit FDA zur Bestimmung der subchronischen Toxizität liegen bei der Sichtung von mehr als 40 verschiedenen Gewebeschnitten. Mit den verkürzten Auswertungszeiten, die Patholytix Preclinical erreicht, reduzieren sich auch Personalkosten für toxikologische Expertise und damit die Gesamtkosten präklinischer Studien.

PATH-TOX für beschleunigte Innovation

Die intensive Zusammenarbeit im Rahmen von PATH-TOX lieferte neues Grundlagenwissen und signifikante Verbesserungen. Die KI-Auswertung wurde an Schnitten von Gehirn, Herz, Niere, Leber und Lunge durchgeführt. Barale-Thomas ergänzt: „Wir stellten auch fest, dass sich vor allem für Organe mit komplexer Struktur (etwa Niere) eine KI-gestützte Auswertung und Mehrfachvergrößerung anbietet, anders als bei Organen mit homogener Struktur. Die Ergebnisse wurden in dieser Publikation vorgestellt. Außerdem lassen die Modelle von Deciphex Verallgemeinerungen zu, sodass Anomalien zu finden sind, die sich in der Trainingsphase nicht zeigten.“ Barale-Thomas fasst zusammen: „Mit Patholytix Preclinical steht uns erstmals ein Instrument für die Erstauswertung bei toxikologischen Sicherheitsbewertungen zur Verfügung.“ Mit einer solchen Vorauswahl kann die Sichtung von Schnitten deutlich rationalisiert werden. Einige der zehn größten globalen Pharmaunternehmen und die beiden führenden Auftragsforschungsinstitute haben die Technologie für routinemäßige präklinische Untersuchungen bereits umgesetzt, und weitere Organisationen bekunden Interesse, was den Startpunkt in eine neue Ära toxikologischer Sicherheitsbewertungen darstellt.

Schlüsselbegriffe

PATH-TOX, Folie, Patholytix Preclinical, Wirkstoff, KI, Auftragsforschungsinstitute, SaaS, toxikologische Sicherheitsbewertung, Vertragsforschungsinstitut, Software-as-a-Service

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