Instituto de Salud de Berlín: Poniendo al HPC a trabajar para el mundo

Investigadores del Centro de Salud Digital del Instituto de Salud de Berlín (BIH) están utilizando la ciencia para entender la fisiopatología de la COVID-19, que puede ayudar a dar forma al desarrollo de tratamientos específicos.

Con el mundo haciendo frente a la pandemia de la COVID-19, científicos de todo el mundo intensifican los esfuerzos de investigación para «desvelar el código» sobre cómo funciona el virus de la SARS-CoV-2: ¿Qué tipos de células ataca? ¿Podemos utilizar esta información para identificar pacientes de alto riesgo? ¿Podemos utilizar este conocimiento para «confundir» al virus, para que no pueda infectar con éxito a las células? ¿Cómo cambia el paisaje celular y transcripcional tras la infección SARS-CoV-2? ¿Cómo reacciona el sistema inmunitario del hospedador?

Dos centros de investigación que trabajan juntos para encontrar las respuestas a estas preguntas son el Instituto de Salud de Berlín (BIH) y la Charité, Universitätsmedizin Berlin. BIH trabaja conjuntamente con Intel para optimizar sus recursos informáticos, y hacer que sus cargas de trabajo de análisis sean más rápidas.

La secuenciación de ARN unicelular revela qué células son vulnerables a ser infectadas por el virus

Investigaciones anteriores revelaron lo siguiente:

  • El virus SARS-CoV-2 se adhiere a un receptor específico (ACE2) en la superficie de la célula hospedadora.
  • Al menos un cofactor (TMPRSS2) debe estar presente para que el virus pueda penetrar en la célula.

«Queríamos averiguar qué células específicas son las que el coronavirus ataca», explica el Dr. Christian Conrad, quien trabaja en el Centro para la Salud Digital del BIH.

BIH investiga el mecanismo de infección del nuevo coronavirus. (Imagen cortesía de Markus Hoffmann/Deutsches Primatenzentrum)

Sobre estos conocimientos, BIH, Charité y partners colaboradores en Heidelberg se disponen a examinar muestras de las vías respiratorias bajas de 16 pacientes no infectados por el virus. Su objetivo era determinar qué tipos de células en los pulmones y bronquios son vulnerables a las infecciones. El trabajo del BIH incluye la secuenciación de ARN unicelular de casi 60 000 células. Todos los tipos celulares en los pulmones y tubos bronquiales humanos conocidos fueron identificados. Basándose en sus conclusiones, los investigadores predijeron el principal tipo de células epiteliales que probablemente estaría en la mira del virus. Saber qué tipos celulares son atacados por el virus puede ayudar a otros investigadores a desarrollar estrategias para contrarrestar el virus. Los resultados de este estudio se publicaron en la revista EMBO Journal.

Secuenciación de RNA unicelular en pacientes con COVID-19

Habiendo concluido el estudio preliminar de células pulmonares y bronquiales no infectadas, el Centro de Salud Digital (BIH), en colaboración con el Charité y el Hospital Universitario de Leipzig, investigaron muestras de las vías aéreas superiores e inferiores de 19 pacientes infectados por la COVID-19 para entender mejor la enfermedad. Los investigadores también exploraron diferencias en el nivel celular en pacientes con síntomas moderados en comparación con aquellos que sufren de síntomas severos, o incluso aquellos que habían muerto. Varias muestras tomadas del mismo paciente en diferentes momentos más permitieron a los investigadores investigar cambios celulares y transcripcionales a medida que evolucionaba la enfermedad. En total, se estudió a 36 muestras del aparato respiratorio de 24 individuos y aproximadamente 160 000 células individuales y se revelaron elementos notables de la respuesta inmunitaria en el sitio de infección primaria y mecanismos asociados a la gravedad de la enfermedad. Los resultados de este estudio se publicaron en Nature Biotechnology.

Acelerando la investigación

Investigar los perfiles transcripcionales de miles de células de las vías respiratorias de 40 pacientes era una tarea desalentadora y el BIH acudió a Intel y Dell para obtener ayuda. Intel proporcionó financiación a través de su Iniciativa tecnológica de respuesta a la pandemia y ayudó a diseñar una arquitectura HPC altamente optimizada que se ajusta a las cargas de trabajo de secuenciación de BIH.

Utilizando la configuración de hardware de la solución Intel® Select for Genomics Analytics como punto de partida, Intel, Dell, y el integrador del sistema System Vertrieb Alexander GmbH (SVA) ayudaron a llevar la solución a la fase de producción rápidamente. Inicialmente el BIH llevó a cabo una prueba de concepto utilizando ocho nodos HPC. Posteriormente, BIH fue capaz de aumentar el recuento de nodos de su grupo HPC de 40 nodos a 68 nodos (un aumento del 70 por ciento). Según el BIH, el número de células que se pueden analizar en un período de tiempo determinado se puede ajustar linealmente a la cantidad de nodos. Al secuenciar el ARN de más células, los investigadores del BIH pueden acelerar su exploración de la respuesta celular del hospedador tras la infección. A continuación, pueden proporcionar información adicional sobre cómo se puede detener, o al menos ralentizar, al virus

Al secuenciar el ARN de más células, los investigadores del BIH pueden acelerar su exploración de la respuesta celular del hospedador tras la infección. A continuación, pueden proporcionar información adicional sobre cómo se puede detener, o al menos ralentizar, al virus

Próximos pasos

El Centro de Salud Digital del BIH sigue investigando muestras de pacientes infectados por la COVID-19 para entender mejor la respuesta del hospedador y la fisiopatología de la COVID-19. Investigaciones posteriores se centrarán en el perfilado de ARN unicelular así como en el análisis genómico. Estos datos pueden conducir a estrategias adicionales para el tratamiento de las infecciones de SARS-CoV-2. Intel está comprometida a ayudar a estos esfuerzos a medida que las industrias de informática y salud trabajan juntas para lograr un impacto realmente importante.

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