Personalisierte Krebstherapie durch Quantentechnologie?

Ein Team um PD Dr. Niels Halama vom Deutschen Krebsforschungszentrum will herausfinden, wie sich Quantencomputer zur Auswertung von therapierelevanten Daten in der personalisierten Krebsbehandlung nutzen lassen könnten.

Niels Halama ist Oberarzt und behandelt krebskranke Menschen am Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen (NCT) in Heidelberg. Als Forscher im Bereich der Immuntherapie leitet er die Abteilung „Translationale Immuntherapie“ am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ). Daneben hat er Erfahrung im Bereich der industriellen Softwareentwicklung und in der Entwicklung von neuen (mathematischen) Verfahren zur Datenanalyse, die eine Nähe zu dem Ansatz des Quantum Computing aufweisen.

Abbildung des Quantencomputers

So sieht er von innen aus: Der IBM-Quantencomputer am Standort Ehningen der Fraunhofer Gesellschaft. 

IBM

In einem neuen Projekt kann er all das verbinden: Mit seinem Team will er untersuchen, ob und wie sich Quantencomputer nutzen lassen könnten, um Tumordaten besser auszuwerten. Die Analyse der vielfältigen Veränderungen von Krebszellen erzeugt eine große Menge an Daten, ermöglicht aber genau hierdurch eine auf den einzelnen Betroffenen zugeschnittene Therapie.

Bislang gibt es nur einen einzigen Quantencomputer in Europa, der steht im Fraunhofer Institut in Stuttgart-Ehningen. Dort wird künftig mit dem Gerät von IBM eine Quantencomputing-Forschungsplattform unter deutschem (Datenschutz-)Rechtsbedingungen zur Verfügung gestellt und ein nationales Kompetenznetzwerk im Forschungsfeld des Quantencomputings aufgebaut. Der Rechner kann von Forschungsorganisationen genutzt werden, um anwendungsbezogen Quantenalgorithmen zu entwickeln und zu testen sowie Know-how aufzubauen.

Screenshot aus der digitalen Verleihungsveranstaltung. Zu sehen: Anja Karliczek u. a.

Die Einweihung des Quantencomputers am Fraunhofer Institut in Ehningen bei Stuttgart war hochkarätig besetzt, u.a. mit Dr. Angela Merkel und Bundesforschungsministerin Anja Karliczek. Zum Video (IBM)

Dies werden auch Niels Halama und sein Team für ihre Forschung nutzen und wollen damit ihre Ideen aus der Welt der Krebsmedizin anwendungsnah weiterentwickeln und konkretisieren. Bisher konnten sie das nur auf Simulatoren erproben. Würde es gelingen, Quantencomputer für die Berechnung von Big Data, also großer Datenmengen, oder auch für sehr heterogene Datensätze einzusetzen, wäre das ein enormer Fortschritt für die personalisierte Krebsmedizin.

Den Forschenden um Halama wollen im ersten Schritt herausfinden, mit welchen Algorithmen man die vielfältigen Daten aus der Analyse von Tumorzellen am besten bearbeiten kann. „Wir wollen ergründen, wie wir mit einem Quantencomputer solche heterogenen Daten systematisch aufbereiten und nutzen können, um damit neue, gezieltere Wege zu finden für Patientinnen und Patienten, bei denen Immuntherapien und andere Therapien weniger wirksam sind. Die übergeordnete Frage lautet letztlich: Wie kann welcher Patient von welcher Therapie profitieren?“, sagt Halama.

Rechnen in der Welt der Quanten: Ein Kontinuum von Zuständen 

Konventionelle Rechner, wie sie jeder Haushalt, jedes Institut heute benutzt, speichern und rechnen mit Bits. In Bits werden alle Daten mit Nullen und Einsen codiert. Man nennt das ein binäres System (lat.: bi = 2). Zur Informationsübermittlung wird das in elektrische Impulse umgesetzt: 1 = Strom fließt, 0 = Strom fließt nicht. Das ist zwar viel schneller als ein Mensch rechnen kann, doch auch das stößt irgendwann an die Grenzen der Naturgesetze – es kann letztlich immer nur ein Impuls nach dem andern übermittelt werden.

Porträt PD Dr. Niels Halama

PD Dr. Niels Halama, Leiter der Abteilung „Translationale Immuntherapie“ am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ).

Jutta Jung/DKFZ

Quantencomputer hingegen nutzen für die von ihnen übermittelten Signale den Zustand der „Superposition“, den man beispielsweise mit Kernspins in Molekülen (wie Stickstoff in Diamanten), Ionenfallen oder in Supraleitern erzeugt. Das System kann ein sogenanntes Qubit (quantum-bit) nicht nur in zwei Zustände wie null und eins, sondern praktisch in unendlich viele Zustände dazwischen versetzen, und das auch noch gleichzeitig. Bei der aktuellen Messung des Qubits kommt es dann wieder zu einem Ergebnis, welches 0 oder 1 lautet. Dabei ist beim Quantumcomputing der Berechnungsprozess so aufzubauen, dass die Wahrscheinlichkeiten für ein richtiges Ergebnis zu verbessern und die Wahrscheinlichkeiten für ein falsches Ergebnis möglichst gering zu halten sind. Das erlaubt eine ganz neue Art der Berechnungen und verändert, wie diese Daten verarbeitet werden können. Dahinter steht die so genannte Quantenphysik, die sich mit dem Verhalten und der Wechselwirkung kleinster Teilchen befasst.

Noch ist die Technik für Quantencomputing sehr störanfällig, aber das ist nicht die einzige Herausforderung: Um Quantencomputer in die Anwendung zu bringen, seien multidisziplinäre Teams erforderlich, sagt Halama. Dass die Fächerübergreifende Zusammenarbeit große Synergien freisetzt und zu großen Entwicklungsschritten führt, habe man auf dem Feld der DNA-Sequenzierungen gesehen.

Nutzen für die Krebsforschung

Denn bei Krebspatientinnen und -patienten können inzwischen unzählige Terabyte an individuellen, meist sehr verschiedenartigen Daten im Laufe ihrer Krankheitsgeschichte anfallen: Blut- und Tumorwerte, Ergebnisse der Bildgebung, Gewebeanalysen, persönliche Indikatoren, Sequenzier- und Therapiedaten und vieles mehr.

Bislang ist es schwer, diese Informationen in ihrer Fülle in geeigneten Verarbeitungsmechanismen nutzbar zu machen. Dabei geht es nicht nur um die schiere Menge der Daten: auch Fragen, welche Daten wirklich „informativ“ sind und wie diese Daten aus der großen Menge ausgewählt werden können, sind noch ein großes Problem. So bleiben vielversprechende personalisierte Therapieansätze bei vielen Krebserkrankungen Theorie und die Betroffenen erhalten Standardbehandlungen.

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