Изобретател Ману Пракаш: Всеки заслужава „Достъп до микроскопичния свят“

2023 Автор: Agatha Gilson | [email protected]. Последно модифициран: 2023-08-25 04:57

Този препис е редактиран за по-голяма яснота.

Ерик Дж. Топол, д-р: Здравейте. Това е Ерик Топол. Аз съм главен редактор на Medscape и за мен е специална привилегия да приведа Ману Пракаш в общността на Medscape. Ману е новатор по компютърни науки от нашата ера. Ману, добре дошли.

Ману Пракаш, доктор: Благодаря, че ме приехте.

Ранно изобретяване и образование

Топол: За малко предистория, прав ли съм, че направихте първия си микроскоп, когато бяхте около 7-годишна възраст?

Пракаш: Да, 7 или 8. Стари спомени, но помня, че нямах достъп до микроскоп и това ме притесни. Брат ми се разстрои, защото не разбрах, че се нуждаете от специфични лещи - или някакви лещи - за микроскоп. Обективът, който използвах, беше негов от очилата. Все още помня онова време.

Топол: Завършихте Индийския технологичен институт по компютърни науки и преминахте в Масачузетския технологичен институт (MIT). Има забавна история от времето, когато сте били в MIT. В началото не биха ви позволили да завършите висше образование, защото сте имали толкова много библиотечни книги, които са просрочени.

Пракаш: Да. Сега е смешно, но навремето беше малко страшно, защото имах няколко хиляди долара глоби. Всъщност срещнах жена си от това, защото тя беше тази, която ми даде заем за глобите.

Топол: Мисля, че това беше добра инвестиция от нейна страна.

Пракаш: Да, се получи.

Foldscope

Топол: След това се преместихте в Станфорд, където сте биофизик в биоинженерството. Имате страхотна лаборатория и сте били изключително продуктивни. Всъщност е много трудно да сте в крак с вашите изобретения. Първият, който мислех, че ще стигнем, е Фолдскопът. Можете ли да ни кажете за това? Преди около 5 години тя беше публикувана в PLOS One. Мисля, че това е най-цитираната хартия в историята на PLOS One, може би PLOS напълно и тя промени света. Разкажете ни за Foldscope и все още ли сте „Foldscoping“?

Пракаш: Толкова се радвам, че използваш „Foldscoping“като глагол. Едно от нашите пътувания е да направим микроскопията толкова достъпна, че да [разговаряте за това на] масата за вечеря. Започна като идеята, че всеки заслужава да има достъп до любопитство и достъп до микроскопичния свят. Когато говорите за медицина, е много трудно да говорите за тези сложни идеи, като теория на зародишите, ако никога не сте ги виждали през микроскопичния свят.

Foldscope е буквално оригами микроскоп - сгъвате го заедно с лист хартия. Направих тази работа с първия си абитуриент Джим Цибулски. Понякога първите специализанти са много авантюристични.

Документът наистина беше за техническите възможности за обединяване на разходите и производителността, където можем да демонстрираме изображения с резолюция 700 nm при цена от 1, 00 долара. Запитахме се, ако можем да направим това и да напишем статия за това, какво би било необходимо за мащабиране? И за 5-те години след публикуването на този документ, аз съм щастлив да ви кажа, че само миналия месец пресякохме 1 милион фолдскопа.

Има 1 милион деца и хора, лекари и изследователи и ветеринари по целия свят, които изследват света и документират и събират данни. Разпространен е в 140-145 държави. Това беше истинско пътуване; беше социален експеримент.

Топол: Първоначално това беше версията за 1, 00 долара. Тогава направихте и фантазия версия?

Пракаш: Да. Начинът, по който направихме проекта устойчив, е, че всяко дете в света може да има достъп до него за 1, 75 долара (така че все пак е по-малко от чаша кафе) и това е същата цена навсякъде по света. Усъвършенстваната версия има много други аксесоари, като сортиране на клетки и много микрофлуиди и други неща, които поддържат внедряването на основните Foldscopes. Това е нещо като модел обувки TOMS, но в крайна сметка е невероятно важен, защото голяма част от това, което направихме с това, наистина се подкрепя от всекидневните хора.

Ние структурирахме това, за да гарантираме, че можем да постигнем устойчивост. Има дистрибутори на фолдскопи по целия свят, например в Ирак, Сирия, Индия и Филипини - места, които не бихте могли да мислите, че ще имат достъп до тези инструменти. Хората в общностите буквално учат и обучават другите по местни проблеми; до голяма степен се движи от страстта на хората, които имат страст към науката и дълбоко се грижат да я споделят.

Ние сме много малка група. Дори и днес, след като направи милион фолдскопи, в основата му има само екип от трима или четирима души. Така че, да, това беше наистина забележително пътешествие.

Топол: Не само, че направихте иновацията в направата на микроскоп за по-малко от 1, 00 долара на части, но и във факта, че сте го демократизирали. Първоначално го изваждате на 50 000 души в развиващия се свят, а сега на милион. Това е невероятно. Когато през 2015 г. The New Yorker пише за вас, те казаха, че в къщата ви кухнята е лаборатория, масата за трапезария е лаборатория, банята е лаборатория, всичко е лаборатория. Това все още ли е така?

Пракаш: Не съм имал деца по това време, но сега имам две малки деца, които тичат наоколо и те имат свои собствени начини да правят експерименти. Мисля, че това резонира много с мен. Вярно е, че можете просто да погледнете в кухнята си. Първият път, когато видите бактерии, е толкова дълбок момент. Бихте могли да изучавате колкото искате генетични мрежи, но [виждането на бактерии] за първи път на вашата собствена арена ви кара да кажете: „Чакайте секунда - заобиколен съм от нея“. Това съм аз, в някакъв смисъл.

Научните инструменти са като моливи: Те трябва да са достъпни и готови, когато искаме.

Дълбоко ценя този опит. Често казвам, че създадох Foldscope не само за други хора, но и за себе си. И това се случва да бъде полезно за другите. Открихме няколко забележителни клетъчни явления, като просто се разминахме с Foldscope. Миналия месец ние описахме нов вид вътреклетъчна комуникация в Nature - това откритие беше направено първо с Foldscope. Бях в езерце в блато и видях клетка с контрактилни способности и това беше просто очевидно от първия миг, когато го видяхме, че няма смисъл, така че трябваше да го проучим. Прекарахме няколко години в изучаването на това явление, но никога не бих се натъкнал на това явление [без фолдскопа]. Това е обща история, която се случва с всички потребители на Foldscope там. Това е точно като носим моливи; когато имате мисъл, искате да я запишете. Научните инструменти са като моливи: Те трябва да са достъпни и готови, когато искаме. Трябва да свалите бариерата. Понякога си казвате: "О, това е глупава идея. Няма да го опитвам." Но наистина си струва да опитате.

Топол: Да. Ударили ли сте се още на 40 години?

Пракаш: Предстои ми; На 39 съм.

Топол: С това, което сте направили до 40-годишна възраст, гледам на вас като на нещо като актуалната версия на Антони ван Левенгук. Сякаш сте на 400 години или нещо подобно и е просто диво.

Не ставаше дума само за иновациите или демократизацията, а за опитите да просветлим света за микрокосмоса и биомимикрията. Имате цитат за микрокосмоса: "Растения, насекоми, мънички бъгове под мивката, бактерии ден след ден, изпълнявайте неща, които никой учен никъде по света не знае как да прави." [Фолдскопът] е голям принос в световен мащаб и несъмнено ще продължи да расте.

Paperfuge

Топол: Нека да продължа към следващото ви голямо изобретение, Paperfuge, което е 20-центовата центрофуга, която върви 125 000 оборота в минута. Можете ли да ни кажете за това?

Пракаш: Да. Мисля, че Paperfuge е в същото пространство като Foldscope, където задавам един и същ въпрос отново и отново: Как струва двойката за разходи и ефективност? В наши дни и възраст ние имаме тази интуиция да кажем, че ако хвърлите повече пари при проблем, можете да го разрешите по-добре. Това не трябва да е вярно, защото ние внасяме вътрешно пристрастие.

Paperfuge започна, когато провеждахме и правехме клинични изпитвания на шистосомоза с Foldscope. Бях в тези малки отдалечени клиники в Уганда, като видях необходимостта както от обработка на проби, така и от анализ на проби преди образна диагностика. Едновременно с това имах момент, в който видях как центрофуга се използва като входна врата, тъй като това място няма електричество. Това беше много аха момент, за да кажем: „Имаме нужда от мощен научен инструмент, но той не може да зависи от електричеството. Трябва да се изключи от мрежата, за да достигне до хората“. И когато полетът се върна, направих списък на всички тези играчки, които се въртят - аз лично съм очарован от играчките. Анализирахме много от тях. Месеци наред правихме изчисление, за да покажем колко добри йо-йоси са в прехвърлянето на енергия. Те са много добри, но не са толкова добри, защото това изисква определено умение, за да се направи наистина добро хвърляне на йо-йо. И докато си играехме с този процес, ние се натъкнахме на тази играчка, която се нарича бутон на низ. Всеки може да направи това: Вземете бутон, поставите две струни вътре, издърпате ги напред-назад, дискът се завърта.

Когато започнахме да правим това, разбрахме, че всъщност никой не разбира как работи тази проста играчка и се случва да е най-старата записана играчка в историята на човечеството, която намирам за забележителна. Когато разгледахме археологическите данни, преди 5000 години хората са имали реликви от почти един и същ предмет. Много култури са го откривали отново и отново, но никога не са го разбрали. Този брой обороти, които цитирате, 125 000, е мощен, защото за първи път стигнахме до това математически. Това е същата история като с Foldscope: Тези видове проблеми са трудни, но можете да ги разрешите с инженерно мислене и да ги оптимизирате. В настоящата ни работа се опитваме да я надминем с порядък. Искаме да пречупим бариерата от 1 милион. Искаме да вървим по-бързо, защото това би ни позволило да извадим все по-прецизни биологични паразити за по-кратко и кратко време. В момента изваждането на паразит срещу малария отнема 5 минути; искаме да намалим това до 1 минута.

Octopi

Топол: Това ни отвежда до най-новия пробив, Октопи. Преди няколко месеца имате предпечат и съм сигурен, че скоро ще бъде публикуван. Можете ли да кажете на всички за Октопи?

Пракаш: Да. Octopi означава Open Open конфигурируема платформа за високопропускане на изображения. Нарича се още Октопи, защото децата ми наистина обичат октоподи в момента. Важно е научните инструменти да струват по-малко, но все пак се нуждаете от висока производителност. Когато сме в клиники в областта, където пътувам, мога да видя линия от 100-150 пациенти, които чакат да получат диагноза малария; 10% от тях може да са положителни, а на места дори и повече. Но традиционният режим на микроскопия със злато все още изисква между половин час и час на слайд, а бързите диагностични тестове всъщност не съответстват на спецификата и чувствителността.

Като лаборант, вие сте в този конфликт, където искате да свършите добра работа на всеки пациент, но няма достатъчно часове. Срещал съм много от тези хора, които работят нонстоп по 10 часа на ден на микроскоп и това просто не е възможно. С натоварването на очите, свързано с 10 часа микроскопия, никога няма да можем да осигурим вида чувствителност [нужна ни е].

Октопи по същество е разминаване между проточна цитометрия и микроскопия. Създадохме инструмент, който в зависимост от частите струва между 100 и 250 долара, но има капацитет да изобразява 5 милиона червени кръвни клетки в минута. За един пациент можем да изобразим всяка отделна кръвна клетка в намазка в рамките на 2-3 минути.

Направихме откритие, с което съм много горд и се изненадах, че никой друг не беше забелязал: Октопи не прави само микроскопия; прави спектроскопия. Когато погледнете звезда и всички спектри на светлината, които влизат, можете да кажете химията на звездата. Приложихме същата идея при паразити. Разбрахме, че пестелив начин, че като не избираме много плътни лентови филтри или не избираме изобщо никакви възбудителни филтри и използваме цветна камера, можем да видим промяна на цвета на паразита в сравнение с човешките клетки с багрилата, които използваме, Това е случайно откритие, което направих в лабораторията със своя аспирант, Хонкуан Ли. Преценихме какво всъщност се случва. Тези багрила, които се свързват с РНК и ДНК, имат различни форми и именно съотношението на ДНК към РНК започва да ни дава спектралното изместване. Обикновено маларията се диагностицира с цел 100x или 60x; правим едно и също нещо при 10-кратна цел. Това ви дава масивно зрително поле, но използвайки спектрални канали, можем да го идентифицираме без разделителна способност.

Това е голяма печалба по отношение на размера на инструмента, цената на инструмента и времето, което отнема, и сега имаме капацитета да започнем да прилагаме тези спектроскопични идеи върху още по-добри багрила, които ще могат да кажат на други състояния на клетката, например. Много се вълнувам от този инструмент. Разработили сме модули. Тъй като е модулен, имаме модул срещу малария и туберкулоза (TB), но всеки в света може да направи модул. Ако се интересувате от заболяване и сте идентифицирали скоростта, която трябва да направите това, и цената, можете да изградите платформите за изображения върху него. Надеждата е хората да ги споделят. Това не са черни кутии, което е нещо, което наистина ме притеснява в диагностиката. Имаме тази представа, че черните кутии се оправят и тогава лабораториите и лекарите отиват все по-далеч от процесите.

Имах разговор с лекар и той каза: „Отнеха ми микроскопа“. Не искаха лекарят да има микроскоп в кабинета си поради причини за отговорност или нещо подобно. Сега трябва да напишете тест за 500 долара, който ще отиде в лабораторията и тогава, разбира се, болницата прави какъвто и да е брой долари, които изкарват. Можем да открием много неща, но е важен начинът, по който възприемаме тези набори от технологии и как ги използваме в контекста на нуждата. Ако това е малария, трябва да мислим за местата, където се крие маларията, и ако е туберкулоза, трябва да мислим за местата, където се крие туберкулозата. Ето защо аз съм много развълнуван от прилагането, защото Foldscope ни научи на урок, който не можеш просто да направиш открития; трябва да направите следващата стъпка.

Изкуствен интелект

Топол: Ти направи много повече от следващата стъпка; предприели сте няколко стъпки. Едно от нещата, които сте направили с Octopi е добавянето в изкуствения интелект (AI) и невронните мрежи. Някои хора казват, че някой ден микроскопът ще бъде наистина исторически. Вече се отървавате от окуляра. Можете ли да ни представите мнението си за измерението на AI и как това играе във всичко това?

Пракаш: Имам много обосновано мнение за решаването на проблеми сега и, разбира се, бъдещето след 5 години ще бъде много трудно да се предвиди поради изчислителния капацитет. Но от гледна точка на сега, много конкретно, платформата AI е вградена точно в хардуера в самата машина. Ние не зависим от Облака, главно защото не можем да очакваме да имаме Облака - дори не можем да очакваме електричество. Не можем да качим данни някъде и трябва да имаме нещо, което работи в реално време. Това беше много мощно. Използваме хардуер, който е създаден и проектиран за вземане на решения в реално време в автоматизирани автомобили, защото компютрите, които ще бъдат вградени в автоматизирани автомобили, се произвеждат в голям мащаб, така че успяхме да използваме тези графични процесори.

Технологията е смесица от хора, които предоставят на услугата техническите възможности. Характеристиките, които изградихме, позволяват на микроскопа да подреди всички паразити, но той все пак ви позволява като потребител да преглеждате и виждате сами няколко паразити, защото се учите с микроскоп - а понякога микроскопът се учи с вас, Едно от най-големите неща, за които се вълнувам, все още не е публично, е, че ще обявим програмата 100 октопи. Едно от предизвикателствата пред AI е с какви данни тренирате. Данните в реално време, идващи от полето, от контекста, винаги са предизвикателство, защото много пъти хардуерът се е превключил, така че сте тренирали за един хардуер и изведнъж това е различен хардуер.

Планираме да разположим 100 октопи в 100 клинични обекта. За да се регистрират потребителите, те трябва да се съгласят да споделят тези данни в реално време - не данни за пациенти, а сурови, де-идентифицирани данни за изображения. Това позволява на хората, които разработват нови алгоритми, да разберат истински сложността на болестите и много форми на болест, които се появяват, като например при коинфекции, когато имате полеви комисии, където багрилата не са оцветени перфектно и когато има температурни ефекти.

От една страна, целта за това е да изградим по-добри алгоритми, но от друга страна, ще можем да тестваме операцията. Мисля, че вдъхновението за това наистина идва от роботизирани телескопи. Можете да влезете онлайн и да влезете в стотици телескопи, които работят в момента на нашата планета, като гледате към небето, но аналогия с това никога не е създадена. Тъй като Октопи е автономна, целта е изследователите, общностите, неправителствените организации, здравните центрове наистина да тестват инструмента в мащаб, но след това да имат свързаност. Човек в Кения се бори със същите групи проблеми като някой в Индия; те се справят със същата болест, но често има много малко комуникация, въпреки че имат едни и същи инструменти.

Много повече е за обучението на тази общност, защото често може да има страх от технологиите. Хората се чудят: „Това ли ще ни отнеме работата?“или "Ами ако не му се доверя?" Доверието може да се изгражда бавно само с мрежа и тъй като това е изменяем обект, искаме хората да си играят с него, за да добият представа за това как биха изглеждали тези нови инструменти. Аз се боря с това, защото много по-големи организации имат мнения, които се правят въз основа на техните предубеждения, но никой не е готов да прави средномащабни тестове, за да разбере наистина как хората биха реагирали. Току-що се върнахме от Уганда и проведохме тези завладяващи разговори за лабораторния техник, гледайки тази машина, казвайки: „Това ще ми отнеме работата след 5 години?“Създавам и проектирам тези инструменти и има този много ловък разговор, че човешките условия могат да бъдат подобрени и човешките услуги могат да бъдат предоставяни от тези невероятни хора с емпатия и грижа. Така че отговорът е, не, не става въпрос за замяна на хора, а за улесняване на живота им, защото в момента те нямат капацитет да предоставят грижи на ниво, което всъщност бихме приели.

Предизвикателства за внедряване

Топол: Не бих могъл да се съглася с вас повече относно обогатяването на живота на хората с този тип технологии, така че те да бъдат по-човешки.

Триадата да направиш нещо по-добро, по-бързо, по-евтино - правиш това време след време. Пренаписахте книгата за това. Какво ще правиш по-нататък?

Пракаш: Опитвам се да не мисля за това, защото има много за справяне. Но аз обичам изпълнението. Имам тези дебати и аргументи с много мои приятели от академика, където, тъй като е написана статията, сега да преминем към следващото нещо, защото някоя компания ще дойде и ще реши тези проблеми. Много пъти по време на този преход крайната цел, поради която технологията е измислена, вече се губи. Мисията е загубена; зрението се губи.

За нас е много важно тези инструменти да достигнат до хората, за които сме ги проектирали, и този път не е лесен.

За мен кръвта и потта във всичко, което правим, са болката, свързана с прилагането. Предстои да стартираме програмата за центрофуги, която се свързва с Foldscope, така че дава възможност на Foldscope да направи повече, а след това отново, подобно на по-малката проба с Octopi. Всеки ден получавам имейли от Пакистан и Фиджи и отдалечени части на Съединените щати, като говоря за участие в тези общности.

Като изобретател това обогатява и това, което ме движи. За нас е много важно тези инструменти да достигнат до хората, за които сме ги проектирали, и този път не е лесен. Боря се с финансирането. Хората казват, че са готови да финансират следващата иновативна идея, но [не е задължително], когато я тестват в мащаб, където можем да научим много повече за болестта. Току-що започнах да мисля доста за екологията и тази представа за планетарното здраве и здравето на нашата планета, която е човек; но не всичко е човек и здравето на човека зависи от неговото здраве.

Foldscope се използва в селското стопанство и ветеринарните грижи, но също така и за измервания на околната среда и често мисля, че планетата е толкова голямо място, че ако не включите общности, ние никога няма да можем да измерим какво се случва на нашата планета - бъдете болести при хората, било болести при животни, било то загуба на биологично разнообразие. Следващото голямо предизвикателство е да се интегрират много от тези инструменти, да се внесат повече брой инструменти, за да има социална революция в измерването. Искам всички да участват в него. Ние имаме капацитет да правим това и имаме достъп, защото живеем на планетата. Така че, където и да живеете, имате уникален контекст, но все още нямаме обща мисия.

Това е много по-голямо, дългосрочно предизвикателство, но аз съм вдъхновен от случилото се в миналото. Общност от хора откри първият Sputnik. Когато Sputnik беше изстрелян, никой не знаеше къде се намира и един от астрономите-аматьори в целия свят, гледащ небето, го забеляза. Едва тогава военната инфраструктура се хвана за нея. Тя вдъхнови поколение хора, които мислят за космоса, защото са били ангажирани.

Искам обществото да се движи по този начин, където потреблението на знания и информация не е достатъчно, за да сме информирани граждани. Трябва да предприемем следващи стъпки. Това са големи цели.

Топол: Правилно. Ако някой можеше да вдъхнови 7-милиарда души на планетата, това бихте вие, Ману. Ти си сила. Колко хора са в лабораторията с вас в Станфорд?

Пракаш: Имам около 20 души в лабораторията, но мисля, че това е заради голяма част от най-основните неща по биология, които правим. Ние работим върху някои много основни животни, които са били забравени, което може да е коренът на всички животни.

Не правя това сам и когато ангажираме хората, предаваме собствеността на местните общности. Буквално, докато говорим, група в Ирак провежда семинари в района на Киркук с Foldscopes, преподава и обучава хора, получава проби обратно и вероятно прави първите проучвания за биологичното разнообразие в тази област. Това беше изцяло задвижвано от един-единствен човек, който изпитваше нужда, който се свързваше с мисията и след това продължаваше и действително се ангажираше.

Голяма част от това, което успяхме да постигнем, особено с инструмент като Foldscope, се дължи на хора, които ние даваме правомощия, които са силно страстни към науката, колкото и аз. Много е трудно да ги открием, защото не седят в университети, не са професори. Много от тях са като Мо [Пандираджан], който е един от най-плодотворните потребители на Foldscope в света. Той ръководеше училище за 12 деца в село в Южна Индия, а през последните 4 години е обучил само 97 000 деца в Индия. Той е най-плодотворният сътрудник и след английски език, тамилският език е най-говоримият език на нашия сайт заради един човек, защото той е вдъхновил толкова много хора. Как да намерим хора като Мо в света, ако не сме склонни да даваме и споделяме? Документите не правят това. Не можете да откриете забележителни хора. Някои дни съм оптимист, но други дни имам своите предизвикателства.

Топол: Не мога да ви представя в ден, в който не сте оптимист. Не мога да ви благодаря достатъчно, че се присъединихте към нас. Хората, които слушат и четат този препис, ще имат връзки към вашите невероятни документи и профили в The New Yorker и The Atlantic. Ще ви следим с огромен интерес, защото променяте света, а не твърде много хора могат да го кажат. Това е нещо, с което да се гордееш, и все още си млад. Помислете само за следващите 40, 50, 60 години. Внимавай.

Пракаш: Много си мил, Ерик. Много благодаря. Наслаждавам се на това, което правя и се вълнувам от ангажирането на хората, така че вратите ни са отворени.

Топол: Продължавайте страхотните неща. Благодаря много, Ману. И благодаря на всички за присъединяването.

Ерик Дж. Топол, доктор на медицинските науки, е един от 10-те най-цитирани изследователи в областта на медицината и често пише за технологиите в здравеопазването, включително в последната си книга „Дълбоката медицина: как изкуственият интелект може да направи здравеопазването отново човешко.

Следвайте Medscape във Facebook, Twitter, Instagram и YouTube