Le BIH utilise le calcul intensif pour le séquençage sur cellule unique de l'ARN de la COVID-19

Le Berlin Institute of Health et Intel ont développé conjointement une solution permettant de déterminer quelles cellules humaines sont attaquées par la COVID-19.

En bref :

  • Le Berlin Institute of Health (BIH) se concentre sur la recherche translationnelle et la médecine de précision.

  • Grâce à l'architecture de calcul intensif (HPC) d'Intel, Charité et le BIH peuvent réaliser le séquençage de l'ARN (processus gourmand en ressources de calcul) au niveau d'une cellule unique afin de mieux comprendre le fonctionnement du nouveau coronavirus responsable de la pandémie de COVID-19.

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Il est important de comprendre le fonctionnement du nouveau coronavirus (SRAS-CoV-2) responsable de la pandémie de COVID-19 pour mettre au point un traitement efficace. Charité et le Berlin Institute of Health (BIH) utilisent l'architecture de calcul intensif (HPC) d'Intel pour réaliser de façon très efficace le séquençage de l'ARN au niveau d'une cellule unique. De part sa connaissance approfondie des technologies de l'information, son vaste écosystème et son expérience dans le secteur de la santé et des sciences de la vie, Intel est bien placée pour contribuer à cet effort.

En bref

  • Les chercheurs du Berlin Institute of Health (BIH) sont en première ligne pour comprendre la COVID-19
  • L'analytique génomique nécessite une puissance de calcul énorme, mais la rentabilité est un problème
  • Le BIH a pu analyser 70 % de cellules supplémentaires1
  • L'étroite collaboration entre Intel, Dell, SVA et le BIH a permis un développement, une expédition et une installation efficaces, ainsi qu'une mise en service rapide

Défi

Les chercheurs du BIH utilisent le séquençage de l'ARN sur cellule unique pour étudier des milliers de cellules et mieux comprendre le fonctionnement du nouveau coronavirus. Mais un tel séquençage nécessite une puissance de calcul énorme. Le BIH disposait d'une infrastructure insuffisante pour cette tâche, ainsi que d'un budget serré. Il devait accomplir plus rapidement ses tâches de séquençage sans faire exploser les coûts.

Solution

Le BIH a consulté Intel, Dell et l'intégrateur de systèmes System Vertrieb Alexander GmbH (SVA) pour développer une solution techniquement et économiquement optimisée. La solution tire parti de la compétence d'Intel en matière d'analytique génomique et utilise la configuration matérielle de la solution Intel® Select pour l'analytique génomique.

Résultats

Le BIH - Center for Digital Health a démontré que l'étude d'échantillons provenant de parties précisément définies du système respiratoire humain permet de mieux comprendre la vulnérabilité des cellules hôtes et la réponse cellulaire en cas d'infection par le SRAS-CoV-2. Le BIH, en collaboration avec Intel et Dell, a pu augmenter de 70 % le nombre de cellules qu'il pouvait séquencer de façon rentable. Il a fallu, pour cela, augmenter le nombre de nœuds HPC disponibles et optimiser les charges de travail d'analyse1.

Accélérer la recherche pour ralentir le virus

Alors que le monde entier unit ses forces pour lutter contre la pandémie de COVID-19, les chercheurs moléculaires sont en première ligne. Chaque contribution à cet effort fait une différence. Charité et le BIH estiment que leurs chercheurs peuvent mettre à profit leur expérience approfondie de la recherche pour explorer les stratégies d'infection du virus et l'évolution de la maladie. Comprendre quels types de cellules le SRAS-CoV-2 attaque peut permettre d'identifier les patients à haut risque et concevoir des thérapies ciblées. Mais pour atteindre ce niveau de compréhension, il faut séquencer l'ARN de milliers de cellules uniques pour découvrir lesquelles sont les plus vulnérables à l'infection.

Le séquençage de l'ARN d'une seule cellule prend environ un jour, tandis que l'analyse des données qui s'ensuit prend des jours, voire des semaines, et exige beaucoup de calculs. Les ressources existantes du BIH en matière de calcul intensif étaient insuffisantes : la recherche prenait simplement trop de temps. Le BIH devait donc investir considérablement dans la capacité de calcul pour accélérer les flux de travail d'analyse. Le budget du BIH, comme beaucoup d'organisations, est très limité. Les ressources HPC existantes et supplémentaires doivent donc être aussi efficaces que possible. Il s'agit notamment d'optimiser la configuration du matériel et les performances des charges de travail.

Compte tenu de la menace mondiale que représente le virus du SRAS-CoV-2, nous, chercheurs, avons le devoir de rassembler l'ensemble de nos connaissances scientifiques pour comprendre le virus et ses stratégies d'infection, ainsi que la progression de la maladie chez les patients atteints de COVID-19... [pour] mieux identifier les patients à haut risque et développer de nouvelles thérapies et de nouveaux vaccins. Chaque contribution à cet effort fait une différence. » Professeur Axel R. Pries, président par intérim du conseil exécutif du BIH et doyen de Charité - Universitätsmedizin

Mettre le calcul intensif (HPC) au service du monde

Pour mieux comprendre le fonctionnement du SRAS-CoV-2, le BIH – Center for Digital Health a entrepris d'examiner des échantillons des voies respiratoires inférieures de 16 patients non infectés par le virus, soit près de 58 000 cellules. Leur but était de déterminer quels types de cellules pulmonaires sont vulnérables à l'infection, et pourquoi. Dans une autre étude, les chercheurs ont comparé le paysage cellulaire et transcriptionnel des voies respiratoires de 19 patients atteints de COVID-19 par rapport à des patients négatifs au SRAS-CoV-2. Ces recherches ont permis de mieux comprendre la réaction de l'hôte lors de l'infection par le SRAS-CoV-2 et les mécanismes associés à la gravité de la maladie. Le BIH a d'abord effectué, en étroite collaboration avec Intel, Dell et l'intégrateur de systèmes SVA, une validation de principe avec huit nœuds HPC. Il a ensuite pu augmenter de manière rentable le nombre de nœuds de son cluster HPC de 40 à 68 nœuds (une augmentation de 70 %).

La solution tire parti de la compétence et des conceptions de référence en matière d'analytique génomique d'Intel, en particulier la solution Intel® Sélect pour l'analytique génomique. Conditionnée dans le serveur en rack PowerEdge R740xd de Dell, la solution est alimentée par des processeurs Intel® Xeon® Gold 6252 (24 cœurs, 20,10 GHz), la famille d'unités de stockage SSD Intel® pour centres de données série P4160 et deux cartes réseau convergent Ethernet Intel® X710 (Intel® Ethernet CNA X710) 10 GbE.

Intel soutient la recherche critique sur la COVID-19

Intel a une relation profonde et de longue date avec le BIH, Charité et Dell. Ces trois entreprises ont collaboré sur de nombreux projets dans le passé. Grâce à la compréhension et l'appréciation mutuelle des partenaires, il a rapidement été décidé d'équiper le BIH de ressources de calcul et d'accélérer la recherche. SVA, qui connaît bien l'infrastructure des centres de données, a donné des directives et des conseils sur la configuration du système. SVA a fait des recommandations sur le réseau, l'alimentation et le câblage, permettant ainsi une intégration en douceur dans l'environnement existant du centre de données. L'étroite collaboration entre Intel, Dell, SVA et le BIH a permis un développement, une expédition et une installation efficaces. En travaillant ensemble, l'équipe a pu mettre rapidement les nouvelles ressources en service.

La société Intel est heureuse de mettre au service du BIH son expertise en matière de calcul intensif (HPC) évolutif, de frameworks d'analytique génomique optimisés pour l'architecture Intel®, ainsi que son expérience dans le secteur de la santé et des sciences de la vie. Elle espère que sa collaboration avec le BIH permettra aux chercheurs de comprendre comment vaincre la pandémie de COVID-19. En plus de fournir des conseils d'experts en informatique à Charité et au BIH, Intel finance également leurs activités avec l'initiative technologique d'Intel en réponse à la pandémie.

Un pas de plus vers la compréhension et la défaite du SRAS-CoV-2

Le BIH - Center for Digital Health a analysé 52 échantillons provenant des voies respiratoires supérieures et inférieures de 40 personnes, des patients atteints de la COVID-19 ou des donneurs non infectés, soit un total de près de 220 000 cellules uniques. Cette recherche a permis de comprendre quelles cellules possèdent les récepteurs, de quels cofacteurs le virus a besoin pour infecter la cellule, et comment les cellules hôtes réagissent à l'infection virale. Bien que davantage de recherches soient nécessaires, en particulier avec des échantillons plus importants, ces connaissances peuvent permettre d'identifier les patients à haut risque et de développer des traitements ciblés. Vous pouvez en savoir plus sur les résultats des recherches du BIH en lisant les articles scientifiques suivants :

Nous ignorons beaucoup de choses sur le coronavirus. Ce projet de recherche et les prochaines étapes nécessitent d'énormes ressources informatiques. C'est exactement là que notre expertise peut aider. » - Hannes Schwaderer, directeur national d'Intel Allemagne

Derrière la recherche, la technologie est indispensable dans la lutte contre la maladie. La solution HPC optimisée conçue par Intel et Dell a augmenté la taille du cluster HPC de BIH de 70 %. Cela a permis au BIH d'accélérer le séquençage de manière rentable pour pouvoir effectuer davantage d'analyses par semaine. Avec les travaux à venir, notamment l'utilisation de frameworks optimisés pour l'architecture Intel® comme DeepVariant et GATK v2, le BIH peut étendre encore ses efforts de recherche. En travaillant ensemble, Intel et l'écosystème des sciences de la vie et de la santé contribuent à trouver des solutions immédiates qui font la différence dans notre monde.

À propos de Charité et du Berlin Institute of Health (BIH)

Charité est l'un des plus grands hôpitaux universitaires d'Europe, avec plus de quatre campus et près de 100 départements et instituts différents. Charité a célébré son 300e anniversaire en 2010. Il est aujourd'hui l'un des plus grands employeurs de Berlin, avec 14 576 employés (ou 18 010 si l'on inclut ses filiales). et réalise un chiffre d'affaires annuel total de 1,8 milliard d'euros. Le Berlin Institute of Health (BIH) a été fondé en mars 2013 par Charité et le Centre Max Delbrück de médecine moléculaire de l'Association Helmholtz (MDC) en tant qu'institut de recherche biomédicale unique en son genre.

Le BIH se concentre sur la recherche translationnelle et la médecine de précision. Le BIH se consacre à l'amélioration de la prédiction des maladies évolutives et au développement de thérapies avancées pour les besoins médicaux non satisfaits. L'objectif principal est d'améliorer la santé et la qualité de vie des patients. L'Institut s'engage à fournir des solutions de recherche et des innovations propices à des soins personnalisés et fondés sur des valeurs. Le BIH est financé à 90 % par le ministère fédéral de l'Éducation et de la recherche (BMBF) et à 10 % par l'État de Berlin. Les deux institutions fondatrices, Charité et le MDC, sont des entités membres indépendantes au sein du BIH.

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Infos sur le produit et ses performances

1Le BIH a augmenté le nombre de nœuds de son cluster HPC de 40 à 68 nœuds (une augmentation de 70 %). Selon une observation interne du BIH, la quantité de séquençage cellulaire s'échelonne linéairement avec le nombre de nœuds.