Beschleunigung der medizinischen Forschung und Prüfung

Übersicht

Herausforderung

• Beschleunigung von SARS-CoV-2 (COVID-19)-Tests und -Forschung sowie flexible Analyse großer Datenmengen.

Lösung

• Bereitstellen einer konvergente Infrastruktur mit hoher Leistung und Automatisierung, um komplexe Analysen schneller durchzuführen.

Ergebnis

• Skaliert die Analyseleistung, um große Mengen an DNA-Sequenzierungsdaten pro Woche zu verarbeiten
• Beschleunigt die medizinische Forschung (einschließlich COVID-19), indem sie sofortige Erkenntnisse liefert und Verzögerungen beseitigt
• Wandelt statische Infrastruktur in eine dynamische, hochautomatisierte Cluster-Lösung um
• Etabliert eine agile und modulare interne High-Performance-Computing-Plattform

Herausforderung

Förderung der öffentlichen Gesundheit durch medizinische Forschung

Das Karolinska Institutet ist eine der weltweit führenden medizinischen Universitäten. Seine Mission ist es, zur Verbesserung der menschlichen Gesundheit beizutragen, und generiert mehr als 6.000 von Experten begutachtete wissenschaftliche Publikationen pro Jahr. Die Universität hat eine einzigartige Position in der Wissenschaft, da die Nobelversammlung am Karolinska Institutet für die Auswahl der Nobelpreisträger für Physiologie oder Medizin verantwortlich ist.

Das Centre for Translational Microbiome Research (CTMR) am Karolinska Institutet Department of Microbiology, Tumor and Cell Biology ist eine innovative öffentlich-private Partnerschaft mit Ferring Pharmaceuticals. Ferring Pharmaceuticals ist ein forschungsorientiertes, spezialisiertes biopharmazeutisches Unternehmen mit Hauptsitz in der Schweiz und Wurzeln in Schweden.

Forscher der GMV arbeiten daran, die Erforschung aller Aspekte chronischer Erkrankungen im Magen-Darm-Trakt zu beschleunigen und die Auswirkungen des Mikrobioms auf die reproduktive Gesundheit besser zu verstehen. Das primäre Ziel ist es, das Potenzial des menschlichen Mikrobioms — der Gemeinschaft mikrobieller Organismen, die im Verdauungssystem des Körpers vorkommen — zu erschließen, um Behandlungen zu verbessern und Krankheiten vorzubeugen.

Fredrik Boulund, Leiter der Bioinformatik an der CTMR, erklärt: „Ein Großteil unserer Arbeit besteht in der Analyse von Laborproben. Wenn wir uns DNA-Sequenzierungsdaten ansehen, besteht der erste Schritt darin, festzustellen, welche Mikroben sich in der Probe befinden. Wir analysieren die multidimensionalen Mikrobiomdaten, um die Zusammensetzung der Gemeinschaft zu verstehen. Der zweite Schritt besteht darin, zu untersuchen, was die Mikroben in der Probe tun — was sie konsumieren und was sie produzieren können. Wir müssen herausfinden, wie sich die Fähigkeiten der Mikrobiomgemeinschaften in den Proben auf unsere Forschungsfragen beziehen.“

Diese Forschung ist sehr rechen- und speicherintensiv. Die GMV hat über die Swedish National Infrastructure for Computing (SNIC) Zugang zu gemeinsam genutzten Hochleistungscomputern (HPC). Es benötigte jedoch das ganze Jahr über Zugang zu flexiblerer Datenkapazität, um große Probenchargen zu verarbeiten, die zu schwer vorhersehbaren Zeitpunkten eintreffen.

„Die Verwendung externer Datenressourcen war eine wertvolle Option, aber sie hat auch unsere Produktivität eingeschränkt“, sagt Boulund. „Der gesamte Workflow bot eine langsame Rückkopplungsschleife. Nach der Planung der Analyse mussten wir die Rohdaten auf die gemeinsam genutzten HPC-Systeme hochladen und Rechenaufträge an die zentrale Warteschlange senden. Dann mussten wir stunden- oder sogar tagelang warten, bis die Aufträge abgeschlossen waren — oder scheiterten. Als wir anfingen, unsere Zuweisungen auf den gemeinsam genutzten HPC-Systemen zu übertreffen, suchten wir nach neuen Optionen, um schneller und flexibler Erkenntnisse zu gewinnen.“

Im Jahr 2020 wurde die GMV auch von der schwedischen Regierung beauftragt, über die Grundlagenforschung hinauszugehen und ein neues Nationales Pandemiezentrum (NPC) einzurichten. Der NPC wurde zusammen mit dem Science for Life Laboratory (SciLifeLab) ins Leben gerufen, einer Organisation, die die molekularen Biowissenschaften in Schweden unterstützt. Zur Stärkung der schwedischen Reaktion auf COVID-19 analysierte der NVK etwa 45.000 PCR-basierte COVID-19-Tests pro Woche. Im Laufe der Pandemie in Schweden entwickelte es sich zu einer der größten Laboreinrichtungen in Schweden für SARS-CoV-2 (COVID-19) -Analysen. Manchmal stellte der NPC bis zu einem Fünftel der gesamten Testkapazität des Landes zur Verfügung.

Eine der Hauptaufgaben des NVK ist es, den Forschern, die an COVID-19 arbeiten, fortschrittliche Technologien und Fachwissen zur Verfügung zu stellen. „Als die Pandemiearbeit begann, mussten wir plötzlich viel mehr Daten verarbeiten“, ergänzt  Boulund. „Unser Team musste unsere Fähigkeit zur Datenanalyse schnell erweitern, damit wir dazu beitragen konnten, die SARS-CoV-2-Forschung voranzutreiben.“

Lösung

Bereitstellung flexibler und schneller IT, wo sie wirklich benötigt wird

Hitachi Vantara erkannte den Bedarf an leistungsfähigeren IT-Ressourcen und wandte sich an die GMV, um die COVID-19-Forschung und -Tests zu unterstützen. Die GMV führte IT-Services und -Analyseaufträge auf zwei physischen Servern in einer sehr statischen Konfiguration ohne Virtualisierung oder Skalierbarkeit aus.

Das Hitachi Vantara-Team entwarf eine konvergente Infrastrukturlösung für die GMV. In einer gemeinsamen Anstrengung setzten sie eine Hitachi Unified Compute Platform CI-Lösung in Kombination mit Hitachi Virtual Storage Platform F370 Arrays ein. Hitachi Vantara entschied sich für Cisco Switches, um eine optimierte Netzwerkleistung zu gewährleisten.

Die Lösung integriert Computing-, Speicher-, Netzwerk- und Managementsoftware und bietet ein hohes Maß an Flexibilität durch die Verwendung von VMware-Virtualisierung zur dynamischen Anpassung von Ressourcen. Inzwischen vereinfacht Hitachi Unified Compute Platform Advisor die Systemverwaltung und automatisiert Administrationsaufgaben. Das Team kann auch selbst Standard-HPC-Tools wie Slurm für das Cluster-Management und die Auftragsplanung in der virtualisierten Serverinfrastruktur bereitstellen und verwenden.

Hitachi Vantara arbeitete mit seinen Partnern Cisco und VMware zusammen, um der GMV ein umfassendes Darlehen anzubieten, um die Umsetzung zu beschleunigen. "Hitachi Vantara, Cisco und VMware haben ein sehr großzügiges Angebot gemacht", bemerkt Boulund. "Ihr Engagement und ihre kommerzielle Flexibilität ermöglichten es uns, eine neue, leistungsstarke IT-Lösung zu nutzen, noch bevor die vollständige Finanzierung gesichert war."

Die Lösung erfüllt die strengen Regeln und Anforderungen der zentralen IT der Universität und wird in einer der wichtigsten Rechenzentrumseinrichtungen der Universität installiert.

Ergebnisse

Eine globale Pandemie bekämpfen und sofortige Einblicke gewinnen

Dank Hitachi Vantara hat die CTMR eine agile und modulare hauseigene HPC-Plattform etabliert. Durch die Verwaltung ihrer Ressourcen mit VMware-Virtualisierung und Hitachi UCP Advisor war die GMV in der Lage, die Systemadministration zu rationalisieren und Bereitstellungs- und Systemverwaltungsaufgaben zu automatisieren. Das Team kann seinen Cluster schnell und einfach neu konfigurieren, indem es bei Bedarf virtuelle Maschinen für bestimmte Rechenaufgaben hoch- und herunterfährt.

„Die Automatisierungsfunktionen von Hitachi UCP Advisor ermöglichen es uns, neue Instanzen auf Abruf basierend auf standardisierten Vorlagen zu starten“, erläutert Boulund. „Dieser Ansatz hilft uns, die Instanzgrößen an die Verarbeitungsaufgaben anzupassen und die Leistung projektübergreifend kurzfristig zu maximieren. Das bedeutet, dass wir viel intelligenter mit unseren Ressourcen umgehen und langfristig schneller auf Anfragen unserer Forscher reagieren können.“

Die Lösung hilft der CTMR, die Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierung der nächsten Generation vollständig zu nutzen, die in der Lage ist, wöchentlich sehr große Mengen an Sequenzierungsdaten zu generieren. „Der praktische Nutzen für unsere Forscher ist erheblich“, bestätigt Boulund. „Wir können neue Erkenntnisse mit viel kürzeren Durchlaufzeiten generieren. In der Vergangenheit konnte es Tage oder sogar Wochen dauern, bis wir die Ergebnisse erhielten, was unsere Forschung dramatisch verlangsamte.“

„Entscheidend ist, dass wir haben die konvergente Infrastrukturlösung Hitachi Vantara verwenden, um vollständige SARS-Cov-2-Genomsequenzen zu analysieren und zusammenzustellen. Diese Forschung wird veröffentlicht, um zu den weltweiten Bemühungen von Wissenschaftlern und medizinischem Personal beizutragen, die COVID-19-Pandemie wirksamer zu bekämpfen.“

Boulund betont zum Schluss: „In der Vergangenheit passte der etwas umständliche Prozess zur Aufbereitung von Daten für die Analyse gemeinsamer HPC-Ressourcen nicht gut zu unseren Forschungsbedürfnissen. Dank der Unterstützung von Hitachi Vantara können wir jetzt größere Datenmengen viel schneller, intern und jederzeit analysieren. Gemeinsam mit Hitachi Vantara, VMware und Cisco haben wir unsere IT modernisiert und ein flexibles, robustes und hochautomatisiertes Datenzentrum aufgebaut. Die gesteigerte Leistung hilft uns, die Wissenschaft voranzubringen und inspiriert unsere Forscher zu einem noch tieferen Verständnis des menschlichen Körpers.“