Mit künstlicher Intelligenz Nierenerkrankungen diagnostizieren und neue Medikamente entdecken

Das serbische und kroatische Startup Kidneya Therapeutics entwickelt auf der Grundlage langjähriger Forschung eine Plattform für die Frühdiagnose von Nierenerkrankungen unter Berücksichtigung spezifischer Umweltfaktoren. Prof. Nikola M. Pavlović, ein auf Nephrologie spezialisierter Mediziner, und die Software-Ingenieure Dragan Milovanović und Deni Ćosić arbeiten zusammen, um Medizin und künstliche Intelligenz zu kombinieren. In diesem Interview mit 5-HT erklärt das Team von Kidneya Therapeutics, wie KI-Methoden die Frühdiagnose von Nierenkrankheiten erleichtern und die Entwicklung neuer Medikamente beschleunigen können.

Kidneya Therapeutics Team Prof. Nikola M. Pavlović, Dragan Milovanović, Deni Ćosić

Warum ist es wichtig, Nierenerkrankungen in einem sehr frühen Stadium zu entdecken?

Nikola M. Pavlović: Chronische Nephropathien sind ein enormes Problem für die Gesundheitssysteme weltweit. Sobald ein Patient ein fortgeschrittenes Stadium erreicht hat, erfordern Nierenerkrankungen eine kostspielige Behandlung wie Dialyse oder Organtransplantation.

Dragan Milovanović: Das Problem ist, dass einige Nierenerkrankungen sehr langsam fortschreiten. Man braucht 20 Jahre, um einen Punkt zu erreichen, an dem man sie erkennen kann, aber zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Patient bereits in einem fortgeschrittenen Stadium, das eine Transplantation oder Ähnliches erfordert. Durch den Einsatz digitaler Biomarker ermöglichen wir es Ärzten, Nierenkrankheiten in einem frühen Stadium zu entdecken oder vorherzusagen, ob ein Patient ein hohes Risiko hat, diese Krankheiten zu entwickeln.

Welche Arten von Biomarkern können Nierenerkrankungen vorhersagen oder anzeigen?

Nikola M. Pavlović: In 30 Jahren Forschung habe ich die Rolle von Umweltfaktoren in der Nephrologie untersucht. Aristolochiasäuren, giftige Chemikalien, die von Aristolochia-Pflanzen wie Aristolochia clematitis produziert werden, tragen nachweislich in hohem Maße zu chronischen Nierenerkrankungen bei. Sie können die Aristolochiasäure-Nephropathie (AAN) und die balkanische endemische Nephropathie (BEN) sowie das obere Urothelkarzinom (UUC) verursachen. Aristolochia-Pflanzen wachsen überall auf der Welt im Überfluss, sie können Boden und Grundwasser kontaminieren, und sie können auch von Nutzpflanzen aufgenommen werden und so in die menschliche Nahrungskette gelangen. Diese Ergebnisse, die ich zusammen mit meinem Kollegen Wan Chan im Journal of Agricultural and Food Chemistry (JAFC) veröffentlicht habe, wurden als JAFC-Forschungsartikel der Jahre 2016 und 2017 ausgezeichnet. Aristolochien-Pflanzen sind auf der ganzen Welt weit verbreitet, insbesondere in europäischen Ländern wie Deutschland oder Frankreich, aber sie sind noch nicht als potenzielle Gefahr erkannt.

Wie setzen Sie dieses Wissen praktisch um?

Dragan Milovanović: Durch die Anwendung von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen kombiniert unser System klinische Daten, biochemische Erkenntnisse und Daten über Geolokationen, um Patienten mit einem hohen Risiko für eine chronische Nierenerkrankung zu identifizieren.

Nikola M. Pavlović: Durch die Analyse von Blut- und Urinproben bestimmen wir den Gehalt an Aristolochiasäure im menschlichen Körper und die Menge an Aristolochiasäure, die transformiert und an die DNA gebunden wurde. Darüber hinaus fügen wir Daten über die Geolokalisierung des Patienten hinzu. Für Südserbien, unser erstes Testgebiet, haben wir bereits die Konzentration von Aristolochiasäure im Grundwasser, im Boden und im Gemüse von den Feldern analysiert.

Deni Ćosić: Unser System wird als medizinische Anwendung nutzbar sein: Ärzte können die medizinischen Daten des Patienten eingeben, und das Programm wird das individuelle Risiko des Patienten, eine chronische Nierenerkrankung zu entwickeln, ausgeben.

Wie wollt Ihr Eure Lösung auch medizinischen Fachkräften außerhalb Südserbiens zugänglich machen?

Dragan Milovanović: Im Allgemeinen kann unser System überall auf der Welt angewandt werden. Sobald die Entwicklung abgeschlossen ist, werden Mediziner weltweit unsere Technologie nutzen können, wahrscheinlich auf der Grundlage eines Abonnementmodells. Für den Einsatz in neuen Regionen wird es jedoch notwendig sein, zunächst Proben von Boden, Wasser und Nutzpflanzen zu nehmen.

Kidneya Therapeutics konzentriert sich nicht nur auf die Früherkennung, sondern auch auf die Entwicklung neuer Medikamente gegen Nierenerkrankungen. Wie hilft Ihnen Ihre Forschung über Aristolochinsäuren auf diesem Gebiet?

Nikola M. Pavlović: Es hat sich gezeigt, dass Aristolochiasäuren sehr gefährlich sein können, aber Aristolochia-Pflanzen werden seit Jahrtausenden auch in der alten chinesischen Medizin verwendet. Neben den sehr nachteiligen Wirkungen haben sie auch einige positive Wirkungen. Es ist eine sehr knifflige Aufgabe, aber mit KI-Methoden haben wir einen Weg gefunden, die potenziellen positiven Wirkungen einiger Verbindungen der Aristolochiasäure zu testen.

Wie kann die AI die Entwicklung eines neuen Medikaments verbessern?

Dragan Milovanović: Unsere Grundidee ist es, Derivate der Aristolochiasäure zu finden, die nur positive, aber keine negativen Auswirkungen haben. Mit Hilfe von KI-Modellen lassen sich Moleküle mit unterschiedlichen Funktionalitäten erzeugen, die dem Ausgangsmolekül ähnlich sind. Auf diese Weise haben wir bereits 100 neue Moleküle identifiziert, die sich leicht von der ursprünglichen Aristolochiasäure unterscheiden.

Deni Ćosić: Im nächsten Schritt wenden wir ein Model des Machine Learning an, um die Bindungswahrscheinlichkeit und Affinität zwischen diesen Molekülen und den Rezeptoren verschiedener Proteine und Enzyme im menschlichen Körper zu testen. Schließlich werden wir die metabolischen Auswirkungen dieser Derivate testen - was passiert, wenn sie sich im System des menschlichen Körpers befinden?

Dragan Milovanović: Der Einsatz moderner Technologien ermöglicht es uns, den Prozess der Arzneimittelentwicklung erheblich zu beschleunigen.

Was ist die Geschichte hinter der Gründung von Kidneya Therapeutics?

Dragan Milovanović: Professor Pavlović und ich trafen uns vor mehr als einem Jahr. Als eines meiner Familienmitglieder an einer Nierenerkrankung litt, bat ich ihn um Rat. Wir kamen ins Gespräch, und was mich erstaunte, war sein Interesse und seine Bereitschaft, mehr über KI und maschinelles Lernen zu erfahren. So wurde die Idee für Kidneya Therapeutics geboren. Im Moment lernt der Professor viel über KI und maschinelles Lernen, und Deni und ich lernen viel über Medizin.

Was hofft Ihr zu erreichen, wenn Ihr Teil unseres Digital Hubs seid?

Nikola M. Pavlović: Wir suchen die Zusammenarbeit mit verschiedenen Arten von Institutionen in verschiedenen Ländern, insbesondere in Deutschland. Durch den Aufbau von Verbindungen zu Nierenärzten, Toxikologen, Genetikern und vielen anderen wollen wir mehr über die Epidemiologie chronischer Nierenerkrankungen erfahren und unsere Daten mit Erkenntnissen aus anderen europäischen Ländern vergleichen.

Dragan Milovanović: Wir suchen auch die Zusammenarbeit mit pharmazeutischen Unternehmen, um klinische Studien zu initiieren. Darüber hinaus suchen wir als Startup auch Investoren, die uns bei der Entwicklung unseres Teams und unseres Systems unterstützen. Teil Eures Netzwerkes zu sein, gibt uns eine große Chance, neue Verbindungen wie diese aufzubauen.