title: Analyse und Spezifizierung der Anforderungen einer auf cBioPortal basierenden Plattform fuer Molekulare Tumorboards
title: Requirements Analysis and Specification for a Molecular Tumor Board Platform Based on cBioPortal
Creators: name: Büchner, Philipp
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024

description: Hintergrund und Ziele: Durch die zunehmende Verfügbarkeit neuer und günstigerer molekularbiologischer Analysen von Bioproben nimmt die personalisierte Medizin in der Behandlung von Krebserkrankungen einen immer größer werdenden Stellenwert ein. Die derzeit letzte Instanz zur Entwicklung eines individuellen Therapiekonzepts nach Ausschöpfung der leitliniengerechten Therapien stellt ein sogenanntes Molekulares Tumorboard (MTB) dar. Dieses aus verschiedenen Fachgebieten zusammengesetzte Expertengremium kann eine möglicherweise noch nicht in Betracht gezogene -- da nicht in aktuellen Leitlinien vorgesehene -- Therapieempfehlung aussprechen. Hier werden neben dem klinischen Zustand vor allem auch die Ergebnisse o. g. diagnostischer molekularbiologischer Methoden berücksichtigt. In Deutschland wird die Analyse der -- je nach Krebserkrankung zahlreichen -- molekularbiologischen Veränderungen in der neoplastischen Probe an den Universitätsklinika oftmals noch manuell in handelsüblichen Tabellenkalkulationsprogrammen durchgeführt. Ziel dieser Dissertation war es, einen Anforderungskatalog an eine Plattform zur Visualisierung der gewonnenen Daten und zur Unterstützung bei der Auswertung dieser zu erstellen. Als Grundlage für diese Software wurde im Vorfeld aufgrund ausführlicher Betrachtungen der wissenschaftlich und kommerziell verfügbaren Werkzeuge das „cBio cancer genomics portal (cBioPortal)“ ausgewählt, da dieses als schon in der Forschung etabliertes Projekt zahlreiche nützliche Funktionen vorweisen kann und die grundsätzliche Erweiterbarkeit des unter freier Lizenz veröffentlichten Quellcodes in früheren Arbeiten bereits nachgewiesen wurde. Methoden: Die Erhebung der Anforderungen wurde mithilfe eines zweistufigen Interviewverfahrens durchgeführt. Hieran teilgenommen haben Experten mehrerer Universitätsklinika, die an den dortigen MTBs mitwirken. In einer ersten Runde mit ein bis maximal drei Teilnehmern pro Interview wurden zunächst alle Anforderungen den wesentlichen Grundzügen nach gesammelt. Zur Vorbereitung auf diese wurde ein Scoping-Review zur Suche nach Literatur über Entscheidungsunterstützung in MTBs durchgeführt und daraus ein allgemeiner Leitfaden für die einzelnen Gespräche entwickelt. Die Ergebnisse jeder Diskussion wurden im Anschluss aufbereitet und flossen in die nachfolgenden Interviews jeweils mit ein. Die Teilnehmer später geführter Interviews hatten somit bereits die geäußerten Anforderungen der zuvor Befragten zur Verfügung. Für eine Konsolidierung und Detailbesprechung aller geäußerten Anforderungen wurde eine zweite Interviewrunde durchgeführt. Hierfür wurden im Vorhinein alle bisher gesammelten Aspekte stichpunktartig niedergeschrieben und eine umfangreiche Sammlung an -- die Anforderungen illustrierende -- Bildschirmfotomontagen (Mockups) erstellt. Schließlich wurden nach beiden Runden die Ergebnisse und entsprechenden Kommentare der Teilnehmer konsolidiert. Im Rahmen der zweiten Runde wurde außerdem versucht, die Anforderungen hinsichtlich der Priorität ihrer Implementierung anhand einer numerischen Skala zu klassifizieren. Ergebnisse und Beobachtungen: Es wurden 24 Anforderungen mit teilweise mehreren möglichen Ausprägungen identifiziert. Hierunter zählen beispielsweise umfangreiche Möglichkeiten zur Dokumentation der Therapieempfehlung und dem Erfolg bzw. Misserfolg der Behandlung. Weiterhin wurde Unterstützung bei der Suche nach zum Patientenfall passenden klinischen Studien gefordert. Auch die Anzeige erweiterter klinischer Daten des Patienten sowie Metadaten zur entnommenen Bioprobe gehören zu den erhobenen Anforderungen. Die Integration weiterer, die Datenanalyse unterstützende, Datenbanken und Bewertungssysteme sowie Visualisierungen der in den Krebszellen veränderten Signalwege und Prozesse zeigten sich ebenfalls als angefragte Erweiterungen. Zu den Anforderungen wurden insgesamt 54 detaillierte Screenshot-Mockups erstellt. Die versuchte Klassifizierung der Anforderungen stellte sich als nicht realistisch dar, da die Teilnehmer nahezu allen Punkten die höchstmögliche Priorität zuwiesen. Schlussfolgerungen und Diskussion: Zum Zeitpunkt der Publikation der Ergebnisse gab es nach damaligem Kenntnisstand keine vergleichbare Arbeit. Einige der identifizierten Anforderungen wurden bereits während oder kurz nach Beendigung der Interviews durch die Entwickler-Gemeinde des cBioPortals implementiert oder hierfür vorgeschlagen. Ein Beispiel dafür ist die implementierte Anforderung zur Darstellung von Häufigkeiten einer Mutation in unterschiedlichen Populationen. Hierzu bedienten sich die Hauptentwickler von cBioPortal einer der durch die vorliegende Arbeit gewonnenen Screenshot-Mockups als Blaupause. Weiterhin legten die Screenshot-Mockups zusammen mit den niedergeschriebenen Anforderungen den Grundstein für die darauf folgende, vierjährige Weiterentwicklung des cBioPortals im Anwendungsfall 3 des deutschlandweiten MIRACUM-Konsortiums während der ersten Förderphase der Medizininformatik-Initiative (MI-I) von 2018 bis 2022. In diesem Kontext konnten bereits zahlreiche Funktionen implementiert werden. Zu nennen sind hierzu unter anderem die Dokumentation der Therapieempfehlung und dem Therapieerfolg, eine Studiensuche, die Anzeige von aktuellen Zulassungsdaten und entsprechenden Beschränkungen verschiedener Medikamente sowie Mechanismen zur sicheren Authentifizierung der Benutzer.
description: Background and Objectives: With the increasing availability of new and more affordable molecular analyses of biological samples, personalized medicine is gaining significance in the treatment of cancer. The current final instance for the development of an individual therapy concept, after exhausting guideline-compliant therapies, is a so-called Molecular Tumor Board (MTB). This board, comprising of experts from various fields, can propose therapeutic strategies that might not have been considered as they are not currently part of established guidelines. In addition to the clinical conditions, the results of the aforementioned diagnostic molecular biological methods are also taken into account during this process. At university hospitals in Germany, the analysis of the numerous molecular biological alterations in neoplastic samples is often still conducted manually, utilizing standard spreadsheet programs. The objective of this work was to compile a set of requirements for a platform aimed at visualizing the amassed data and facilitating its assessment. The “cBio cancer genomics portal ( cBioPortal)” was chosen as the foundation for this software owing to a comprehensive evaluation of available scientific and commercial tools. Being an established research project with numerous beneficial features, its open-source code's scalability has been demonstrated in prior works. Methods: The requirements were collected through a two-stage interview process involving experts from various university hospitals engaged in their respective MTBs. In the initial stage, one to a maximum of three participants took part in each interview, focusing on collecting all requirements in their fundamental aspects. To facilitate this, a scoping review was conducted to explore existing literature on decision support within MTBs, forming a foundation for the subsequent discussions. The outcomes of each discussion were then analyzed and integrated into the subsequent interviews. This approach enabled later participants to build upon the requirements expressed by their predecessors. A second round of interviews was conducted to consolidate and delve into the comprehensive discussion of all identified requirements. For this purpose, all previously collected requirements were documented in bullet points, and a comprehensive collection of screenshot mock-ups was created to illustrate these requirements. Subsequently, the results and corresponding comments from the participants were consolidated after both rounds. During the second round, an attempt was undertaken to classify the requirements according to a numerical scale based on their priority for implementation. Results and Observations: A total of 24 requirements with several potential variations were identified. For instance, these include extensive options for documenting therapy recommendations and tracking the success or failure of treatment outcomes. There was a demand for a search function dedicated to identifying suitable clinical trials. Furthermore, displaying extended clinical data of the patient and metadata associated with the collected biopsy sample were among the identified requirements. The integration of additional databases and evaluation systems supporting data analysis, as well as visualizations of altered signaling pathways and processes in cancer cells, also emerged as requested extensions. To illustrate these requirements, a total of 54 detailed screenshot mock-ups were designed. The attempted prioritization of the requirements proved unfeasible as participants assigned the highest conceivable priority to nearly all of them. Conclusions and Discussion: At the time of the publication of the results, there were no comparable works known. Some of the identified requirements were already implemented by the cBioPortal development community either during or shortly after the interviews. Furthermore, some requirements were also proposed for development by members of the user community. An example of this is the implemented requirement to display mutation frequencies in different populations. The main developers of cBioPortal used one of the screenshot mock-ups obtained in this work as a blueprint for this implementation. Between 2018 and 2022, the screenshot mock-ups, together with the written requirements, served as the cornerstone for the subsequent four-year development of cBioPortal in Use Case 3 of the nationwide MIRACUM consortium, which is a part of the "Medicical Informatics Initiative Germany" (MI-I). In this context, numerous features have already been implemented, including the documentation of therapy recommendations and therapy outcomes, a study search function, the display of current approval data and restrictions for various medications, as well as mechanisms for secure user authentication.