/Science Dr. Watson –
Mensch und Maschine gegen die Tuberkulose-Epidemie

Z ehn Tabletten pro Tag schluckt Sanele Mkhize gegen seine Tuberkulose. Ob sie helfen, ist unsicher. Ärztin Rochelle Adams arbeitet bis in die Nacht, um Leben wie seines zu retten. Forscher Alex Pym will die Tuberkulosebekämpfung grundlegend verändern – mithilfe eines besonders leistungsfähigen Assistenten: des Supercomputers Watson.

Nachts teilt sich Sanele die Couch mit seinem Bruder Mbongeni. Sie breiten die zerfransten Polster auf dem Boden aus, Hauptsache, es gibt irgendeinen Platz zum Schlafen. Sanele, 20, wohnt mit seinen fünf Brüdern und zwei Schwestern in drei winzigen Räumen in Kwamakutha, Südafrika. Sanele hat Tuberkulose, kurz TB.

Das Epizentrum der Tuberkulose-Epidemie: Tuberkulose in Südafrika und Kwazulu-Natal

Kwamakutha liegt in der Provinz KwaZulu-Natal, 30 Kilometer südwestlich der Küstenmetropole Durban. Die Region ist weltweit das Epizentrum der Tuberkulose-Epidemie. Nirgendwo gibt es mehr TB-Fälle auf weniger Raum. In die verfallene Steinhütte, ursprünglich das Zuhause der Großmutter, zogen die Geschwister vor zehn Jahren. Damals waren die Eltern gerade an Aids gestorben. Und jetzt, Sanele weiß das, ist sein Leben in Gefahr.

Tuberkulose, kann ein Todesurteil sein, gerade hier. Zwei von Saneles Brüdern haben die Krankheit knapp überlebt, doch sie könnten sich jederzeit wieder anstecken. Zum Beispiel bei ihm.

Viele aus meiner Familie haben, wie ich, keine Arbeit. Wir leben alle von der Rente meiner Großmutter. So haben wir schlicht zu wenig zu essen. Sanele Mkhize

Jedes Jahr erkranken in Südafrika rund eine halbe Million Menschen an TB, über ein Prozent der Gesamtbevölkerung. Ein Drittel davon in KwaZulu-Natal. Rund 60 Prozent der Patienten sind hier zusätzlich mit dem HI-Virus infiziert. Die Krankheiten verstärken sich gegenseitig. 2010 starben in Südafrika über 62.000 TB-Kranke, das waren fast 12 Prozent aller Todesfälle.

Saneles behandelnde Ärztin Dr. Rochelle Adams über das Tuberkulose-Problem in der Region.

Wie sich Sanele angesteckt hat, das weiß er nicht genau. TB wird über die Luft übertragen, schon ein Anhusten kann ausreichen. Die Menschen in der Nachbarschaft wissen, dass etliche TB-Patienten unter ihnen sind, die Ansteckungsgefahr ist durch die Enge und die mangelnde Luftzirkulation hoch hier. Einen Mundschutz trägt trotzdem niemand. Gesprochen wird über die Krankheit nicht.

Alt Text

Optimale Bedingungen für das Bakterium: In eng besiedelten südafrikanischen Armenvierteln verbreitet sich medikamentenresistente Tuberkulose derzeit rasant.

Alt Text

Strom gibt es in seinem Dorf kaum, Hochleistungscomputer aber könnten sein Leben retten: Sanele Mkhize Mkhize (links) vor dem Haus seiner Großmutter in Kwamakutha.

Alt Text

Im Gegensatz zu vielen anderen Erkrankten ist Sanele HIV-negativ, was seine Heilungschancen erhöht.

Alt Text

Eine Wäscheleine im Township Kwamaphumolo, etwa eine Stunde Fahrt von Durban entfernt. Auch im Vergleich zu anderen südafrikanischen Armenvierteln sind die Lebensbedingungen miserabel.

Alt Text

Joseph Mkhize (nicht verwandt mit Sanele) in seiner Blechhütte in Kwamaphumolo. Er hat multi-medikamentresistente Tuberkulose – über die Hälfte der Infizierten dieser Form der Krankheit stirbt daran.

Alt Text

Der Blick aus Joseph Mkhizes Hütte. Die ersten Meter eines einstündigen Fußweges bis zur nächsten Klinik.

Alt Text

Ein guter Tag: Joseph Mkhize fühlt sich stark genug, um aufzustehen.

In der Klinik

Dr. Rochelle Adams spricht mit ruhiger Stimme, während sie Saneles Oberkörper abhört. Adams weiß, was Sanele durchmacht: Als junge Ärztin erkrankte sie einst selbst an Tuberkulose.

Nach einer abgebrochenen Therapie ist Sanele wieder in Behandlung. Er muss hoffen, dass er keine Medikamenten-Resistenz entwickelt hat.

Als Rochelle Adams zehn Jahre alt war, hatte ihr Vater einen Herzinfarkt. Keiner in der Familie konnte helfen, er starb kurz darauf. Seitdem wollte Rochelle Ärztin werden – trotz der Gefahren. Und tatsächlich: Kurz nach dem Studium arbeitete sie in einem überfüllten Krankenhaus – 18 Stunden am Tag. Als sie die Farbe ihrer Lungenflüssigkeit sah, wusste sie sofort, dass sie sich mit TB angesteckt hatte. Noch heute schmerzt die Lunge bei tiefen Atemzügen, besonders bei Hitze.

Adams’ größte Sorge bei Sanele ist, dass er MDR-TB entwickeln könnte: Multiresistente Tuberkulose. Eine Form von TB, bei der die Bakterien auf bewährte Wirkstoffe nicht mehr reagieren. Sie weiß: Eine erste Behandlung hat Sanele abgebrochen. Die Ärzte hatten ihm eingeschärft, die Medikamente nach dem Essen zu nehmen. Nur: Sanele hatte oft kein Essen.

Ich dachte, es wäre Zeitverschwendung, wenn ich die Medikamente auf leeren Magen nehme. Als die erste Ration aufgebraucht war, bin ich deshalb nicht wieder in die Klinik gegangen. Dann kamen die Symptome zurück. Sanele Mkhize

Was Sanele nicht wusste: Ein Abbruch der Therapie erhöht die Chance, dass der Erreger gegen die Medikamente resistent wird. Dann wird es kompliziert. Und noch einmal gefährlicher.

Wie funktioniert Tuberkulose, wie steckt man sich an, und wie bekämpft man sie? Und was hat es mit MDR-TB auf sich?

Der lange Weg der Behandlung

Mehrmals wöchentlich besucht Sanele die Hilfsorganisation Caprisa in Durban, wo Dr. Adams ihn betreut. Jedes Mal eine Stunde Fahrt. Diesmal will er die Behandlung unbedingt durchziehen.

Für die Dauer der Therapie erhält Sanele eine Sozialhilfe von monatlich rund 90 Euro, die ihm Rochelle Adams zusammen mit anderen Caprisa-Mitarbeitern besorgen konnte. Da er an einer Studie teilnimmt, kommen pro Arztbesuch noch einmal rund zehn Euro dazu. Von diesem Geld kann er sich Essen kaufen, den Bus zahlen – und die Behandlung erst richtig durchführen.

Rochelle Adams über strukturelle Ursachen von Tuberkulose und ganzheitliche Behandlungsansätze

Doch ob Sanele bereits eine Resistenz entwickelt hat, ist ungewiss. Bis zu zwei Monate kann es dauern, bis Dr. Adams weiß, ob die verabreichten Medikamente die richtigen sind. Wenn nicht, bleibt Sanele krank – und ansteckend.

Und es geht nicht nur um die Patienten. Besonders die medikamentenresistente TB breitet sich so rasch aus, dass Medizinerinnen wie Rochelle Adams bis zur Erschöpfung arbeiten. Wie viel effektiver könnte sie Sanele behandeln, wenn sie alle Daten zu Person und Krankheit jederzeit abrufen könnte? Besonders wertvoll für die TB-Behandlung wären Daten zu den Lebensbedingungen der Patienten. Diese Daten gibt es, in Behördenakten, doch sie laufen nicht zentral zusammen.

Nur strategisch können wir diese Krankheit bekämpfen, denn Tuberkulose ist eine Krise in unserem Land. Rochelle Adams
Alt Text

Nah bei den Menschen. Das Caprisa-Gebäude liegt direkt neben einem der größten Busbahnhöfe Durbans, den besonders Pendler aus Armenvierteln benutzen. Wie Sanele.

Alt Text

Der Wartesaal in der Caprisa-Klinik. An die Wand hat ein Arzt medizinische Formeln gezeichnet. Einige Patienten aber können nicht einmal richtig lesen und schreiben.

Alt Text

Inzwischen trägt Rochelle Adams bei der Arbeit eine Atemschutzmaske. Früher verzichtete sie darauf – und infizierte sich.

Alt Text

Auch Patienten müssen in der Caprisa-Klinik einen Mundschutz tragen. Um sich zu schützen und damit sie das Bakterium nicht verbreiten.

Alt Text

Ein privates Foto der Ärztin. Ihre drei Kinder sollen den Beruf nur ergreifen, „wenn sie sich dazu berufen fühlen”.

Alt Text

Dr. Adams behandelt einen Patienten. Die Therapie dauert viele Monate lang.

Alt Text

Erschöpfter Blick: Sanele im Wartezimmer der Klinik. In schlechten Phasen muss er sich täglich übergeben.

Alt Text

Verhasstes Ritual: Immer wieder wird Sanele derzeit Blut abgenommen. Es geht ihm inzwischen ein wenig besser.

Alt Text

Erholen sich die Lungen? Ein schmerzvoller Husten ist neben Gewichtsverlust das prägnanteste Merkmal von Tuberkulose.

Alt Text

Ärztin aus Leidenschaft: Rochelle Adams erschien nach ihrer eigenen Infektion schon nach wenigen Wochen wieder zur Arbeit.

Die Hoffnung Big Data

Nun könnte es Hoffnung geben für die überlasteten Ärzte und die leidenden Patienten: In Durban, quasi mitten unter ihnen, arbeitet Alexander Pym an seiner Vision: die TB-Bekämpfung mithilfe extrem leistungsstarker Rechner effektiver und schneller zu machen. Viel schneller.

Das K-RITH-Forschungsinstitut, kurz für Kwazulu-Natal Research Institute for Tuberculosis and HIV, sitzt seit 2012 in einem achtstöckigen Glasturm auf dem Campus der Universität. Im dritten Stock hat Dr. Alexander Pym sein Labor. Gebürtiger Londoner, zwei Meter groß, die Standard-Laborkittel sind ihm zu klein. Seit den frühen 90er-Jahren ist er hier, um zu verstehen, wie das Tuberkulose-Bakterium mutiert und resistent wird.

Alex Pym erklärt, wie Supercomputer den Kampf gegen medikamentenresistente Tuberkulose unterstützen können.

Das Tuberkulose-Genom besteht aus etwa 4,4 Millionen Basenpaaren. Schon die Mutation eines dieser Bausteine kann ein Medikament unwirksam machen. In Pyms Labor werden Tausende von Proben des Erregergenoms analysiert und gemäß ihrer Reaktion auf die vorhandenen Medikamente verglichen. Immer ein immunes und ein nicht-immunes Genom, Basenpaar für Basenpaar. Das Ziel: bis 2020 einen Schnelltest zu entwickeln, der es Rochelle Adams und ihren Kollegen erlaubt, auch Patienten mit multiresistenter Tuberkulose eine passgenaue Behandlung zukommen zu lassen. Es wäre eine Revolution in der Bekämpfung von TB. „Für diese Erbgutanalyse reicht kein Desktop-Computer“, sagt Pym.

Alexander Pym braucht einen Computer, der multiple Algorithmen berechnen kann. Einen Superrechner wie Watson, der Stolz seines Herstellers IBM. Getestet im Rahmen der Krebsbekämpfung an einer US-Klinik, soll er Alex Pym helfen, sein Ziel zu erreichen. Im März 2014 gab IBM bekannt, in Zusammenarbeit mit K-RITH der Tuberkulose-Epidemie in Südafrika auf den Grund gehen zu wollen.

Exkurs: Was ist Watson?

Watson ist die derzeit leistungsstärkste künstliche Intelligenz der Welt. Die Watson-Software wurde im Rahmen des DeepQA-Forschungsprojekts von IBM entwickelt. Sie ist so konzipiert, dass die Rechner menschliche Sprache verstehen und auf Fragen antworten können.

Weltweit bekannt wurde Watson durch seinen Auftritt in der Quiz-Sendung „Jeopardy!" im Februar 2011. Watson gewann gegen zwei bewährte Champions der Show, nachdem er mehrere komplexe Kombinationsrätsel schneller gelöst hatte.

IBM vermarktet seine Entwicklung wie ein eigenes Betriebssystem. Um Watson herum sind Startups angesiedelt, die Anwendungen für die künstliche Intelligenz bauen. Die Anwendungen reichen von Reiseempfehlungen, der Ausbildung von Verkaufspersonal oder Finanzmarktanalysen – bis zur Krebs- und Tuberkulose-Forschung. Laut der IBM-CEO Virginia Rometty soll Watson innerhalb von zehn Jahren damit zehn Milliarden Dollar Umsatz generieren.

Abgesehen davon, dass Watson durch seine enorme Rechenleistung größte Mengen an Daten verarbeiten kann, zeichnet ihn seine Lernfähigkeit aus. Nutzer können Informationen ins System einspeisen und ihm dadurch gezielt in bestimmten Gebieten Neues beibringen.

Watson besteht aus einen Rechnerverbund mit 90 IBM-Power-750 Servern, jeder davon ausgestattet mit einem 3,5-GHz-Power7-8-Kern-Prozessor. Das Hauptquartier der Maschine, die nach dem Firmengründer Thomas J. Watson benannt wurde, liegt seit September 2014 in Manhattan.; in einem Business-Center in der sogenannten Silicon Alley. An Watson angeschlossen ist seit Anfang 2014 eine Server-Cloud, die auf Business-Kunden ausgerichtet ist. Eine Milliarde Dollar wurde in diesen Bereich investiert.

500 Datensätze mit Tuberkulose-DNA sollen aus Durban in die internationalen Datenbanken einfließen. Gerade einmal 3000 solcher Datensätze sind heute weltweit verfügbar. Spätestens, wenn es 10.000 sind, ist die Zeit für Watsons Einsatz gekommen. Dann wird aus dem regionalen Projekt von Alex Pym ein globales werden.

Aber wie funktioniert das Sammeln und Auswerten der Daten, und was kostet es?

Von raumfüllenden Großrechnern ist bei K-RITH nichts zu sehen. Alexander Pym arbeitet in einer klassischen Laborumgebung: Mikroskope, Reagenzgläser. Daran wird auch Big Data wenig ändern: Schon heute werden Pyms Daten in Israel ausgewertet, Watson steht in der Nähe von New York. Die Revolution erfolgt cloudbasiert.

Auch Hersteller IBM hat große Pläne mit Watson: Bis 2023 soll der Superrechner einen Jahresumsatz von zehn Milliarden Dollar einspielen. Das Gesundheitswesen steht dabei ganz oben auf der Liste der anvisierten Einnahmequellen: eine Herausforderung auch für den Datenschutz.

Exkurs: Wie steht es um den Datenschutz?

Das Prinzip der Big-Data-Technologie ist die Analyse und Verknüpfung größter Informationsmengen sowie die Suche nach Zusammenhängen. Um Leben, Gesundheit, Wirtschaft etc. zu optimieren, sollen Maschinen Muster erkennen, die uns selbst noch gar nicht bewusst sind – durch die Analyse möglichst großer und heterogener Datenbestände, die ursprünglich gar nicht für einen spezifischen Zweck gesammelt worden sein müssen.

Wo immer Daten gesammelt werden, geht es aber auch um den Schutz personenbezogener Informationen. Früher war Sparsamkeit und Zweckbindung das Paradigma der IT, heute führen Superrechner und Systeme wie Watson die Prinzipien des Datenschutzes an ihre Grenzen.

Immer größere Datenbestände, immer mehr Rohstoff kann analysiert und kombiniert werden: Angaben über Finanztransaktionen, medizinische Behandlung, Konsum, Berufstätigkeit, Informationen zur Internetnutzung. Auch wenn Daten von Patienten oder Kunden anonymisiert erfasst werden, entstehen dadurch Muster, die Rückschlüsse auf die Personen zulassen. Die Watson-Entwickler von IBM erklären regelmäßig, dass sie höchsten Ansprüchen an Datenschutz und Absicherung genügen wollen. Was nichts daran ändert, dass zum Beispiel die umfangreichen Genomsequenzen, die in Watson eingespeist werden sollen, ein wertvolles, begehrtes Kapital sind.

Wenn unser Projekt Erfolg hat, können wir Sanele binnen einer halben Stunde sagen: Du bist gegen dieses oder jenes Medikament resistent. Der Patient hat nicht nur selbst bessere Überlebenschancen, er ist auch viel weniger lange ansteckend. Alex Pym
Alt Text

Big Data im Labor: Dr. Alex Pym (li.) wertet mit einem Mitarbeiter Datensätze mit Tuberkulose-DNA aus.

Alt Text

Auf dem Bildschirm Datensätze, daneben private Fotos an einem K-Rith-Arbeitsplatz. Tuberkulose wird über die Luft übertragen - auch die Familien der Angestellten sind gefährdet.

Alt Text

Gefährliche Detailarbeit: Eine K-Rith-Mitarbeiterin bei der Laborarbeit. Rutscht sie ab, könnte sie sich selbst infizieren.

Alt Text

Dr. Alex Pym bespricht mit einer seiner Mitarbeiterinnen Labor-Tests.

Alt Text

Kerngeschäft: K-Rith ist vor allem ein Labor. Die gewonnenen Erkenntnisse werden von Großrechnern in Israel analysiert.

Alt Text

Mit Farbstoff markierte Zell-Kulturen, die im Labor gezüchtet werden.

Alt Text

Wissenschaftler Pym an einem Mikroskop. Er gehört zu den weltweit führenden Tuberkulose-Forschern.

Alt Text

Analyse-Tool im Labor. Für die generierten Datenmengen werden die leistungsfähigsten Computer der Welt benötigt.

Der Traum vom Ende des Kampfes

Immer noch verstreicht bei der TB-Bekämpfung viel wertvolle Zeit. Wenn Rochelle Adams wieder einmal einen Marathon-Tag hinter sich hat, wünscht sie sich, Alex Pyms Schnelltest wäre schon heute verfügbar. Adams ist auf Forschungsergebnisse angewiesen – schon allein, um mit den immer neuen Mutationen und Resistenzen Schritt zu halten.

Meine Erfahrung wird immer ein großer Faktor bei der Behandlung bleiben, aber wenn alle Daten ständig aktualisiert digital vorlägen, würde mir das wichtige Zeit sparen. Rochelle Adams

Sanele geht es besser, dennoch bleibt das Bangen, ob die Therapie wirklich Erfolg haben wird. Zukünftige Patienten könnten schneller Gewissheit erhalten.

Ersetzen werden Datenbanken die ärztliche Erfahrung nie können. Doch wenn Rochelle Adams – wie auch schlechter ausgebildete Krankenschwestern in Entwicklungsländern – die Symptome ihrer Patienten mit einer weltweiten Datenbank abgleichen könnte und unmittelbar Diagnose- und Therapievorschläge präsentiert bekäme, würde das ihre Arbeit ungleich effektiver machen.

Sanele muss Dr. Adams vorerst noch ohne Big Data behandeln. Er hat in den letzten Wochen etwas an Gewicht zugelegt, und hustet weniger. Der Oberkörper wirkt nicht mehr ganz so ausgezehrt. Und er redet wieder mehr, am liebsten vom Fußball. Bevor Sanele krank wurde, war er Stürmer, ein ziemlich schneller. Gut möglich, dass er es wieder wird – auch ohne Watsons Hilfe. Für Hundertausende könnte der Rechner dagegen die letzte Hoffnung sein.

Ich habe diesen Traum, wieder auf dem Fußballplatz zu stehen und Tore zu schießen. Wie früher. Sanele Mkhize

Credits

Text: Christian Putsch Foto: Greg Lomas Redaktion: Felix Nicklas, Joachim Hentschel, Stephan Bader Layout: Thomas Langheinrich Animation: Christian Morgenstern Entwicklung: Stephan Fischer, Fernando Gutierrez Produzent: Daniel Nauck
Eine Produktion von WIRED und 2470media