Бъдещето на медицината от лидер в биосенсорите

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

Ерик Дж. Топол, д-р: Здравейте. Аз съм Ерик Топол, главен редактор на Medscape. Истинска наслада е да посрещнем Джон Роджърс от Северозападния университет в Еванстън, Илинойс. Джон вероятно е световен лидер в разработването на творчески сензори, които взаимодействат с човешкото тяло. Добре дошъл, Джон.

Д-р Джон А. Роджърс: Удоволствие е да бъда тук.

Д-р Топол: Отидохте в Тексаския университет в Остин, а след това - в Масачузетския технологичен институт (MIT), нали?

Д-р Роджърс: Да. Бях в MIT 6 години. Получих магистърска степен по физика и химия, а след това докторска степен по физическа химия. След това получих стипендия за младши в Обществото на стипендиатите в Харвардския университет, която беше като супер-пост-доктор, 3-годишна позиция. Призивът беше, че осигурява заплата и стипендия и можете да правите каквото искате.

В крайна сметка разделих времето си между работа в харвардската лаборатория на Джордж Уайтсайдс, известен химик по материали и предприемач, с другата половина, прекарана със стартираща компания, която стартирахме от MIT въз основа на моето докторско изследване. Това беше наистина забавно време от 1995 до 1997 година.

Д-р Топол: След това отидохте в Bell Labs?

Д-р Роджърс: Да. Интервюирах за редица позиции, но винаги бях привлечен към интерфейса между наука и технология. Bell Labs в онези дни беше като на нюйоркските янки на науката с фокуса си върху материали, технологии, лазери и интегрални схеми. Прекарах там 5 страхотни години, през които наистина успях да разширя своите области на опит.

Това мислене на „Bell Labs – ian“наистина остана с мен и оформи моето изследване. След Bell Labs отидох в Университета на Илинойс в Урбана.

"Епидермална електроника": сензори за тънка кожа

Д-р Топол: За първи път научих за вас от статия от 2011 г. в Science ^[1] за „кожни чипове“, която сте пионер. Разкажи ни малко за това.

Д-р Роджърс: Това беше наистина важен документ за нас. Основната ми експертиза е в електронните материали. Повечето хора, които правят академични изследвания на електронни материали, мислят за бъдещето на електрониката, водено от закона на Мур.

Транзисторите стават все по-малки и по-малки; микропроцесорите имат все повече транзистори на единица площ, при по-високи и по-високи тактови скорости, с все повече и повече усъвършенстване в работата си. Това е наистина завладяваща област за изследване, защото за да се даде възможност за продължаване на закона на Мур ще са необходими много научни открития и нови академични познания за материалите в тези мащаби.

Интересуваме се от различно бъдеще на електрониката, не толкова задвижвано от критичните измерения на транзисторите, а мислим за електрониката като възможен интерфейс към човешкото тяло. Тук трябва да обмислите нещата около биосъвместимостта на материалите и може би по-важните физични свойства, които позволяват интимна интеграция на технологията на веригата с меките текстурирани, динамично динамични повърхности, които намирате в биологията. Това е доста различно от всичко, което някога е присъствало в търговски форми на интегрални схеми, които са изградени в твърдите равнинни повърхности на полупроводникови пластини.

Този документ беше първата демонстрация на всички ключови идеи около материалознанието, конструкциите на механиката, архитектурата на устройствата, съображенията на ниво система, които ни позволиха да създадем подобни на кожата форми на електроника.

Някои невролози попитаха: „Мислили ли сте някога да поставите тези неща на мозъка?“

Д-р Топол: Спомням си снимките от научната книга, с тези малки кожни чипове на челото за електроенцефалограма и на гърдите за кардиограма, и мисля, че това е умопомрачително.

Това, което не разбирам, е как сте се преместили от този инженерен фон с химия и физика в желанието да се занимавате с тялото и да събирате чипове с него.

Д-р Роджърс: Интересна история. Попаднахме на цялата тази област на гъвкава електроника, когато се върнах в Bell Laboratories, където разработвахме нови класове полупроводникови материали. Идеята беше, че ако можете да създадете интегрални схеми на листове от пластмаса, може да сте в състояние да създадете нови класове потребителски джаджи. По-специално ни интересуваха гъвкави дисплеи, подобни на хартия.

Аз изнасях беседа по електротехника в Университета в Пенсилвания по тази тема и някои невролози дойдоха при мен след това. Те казаха: „Ей, това са страхотни за управляеми антени с голяма площ за военните или гъвкави дисплеи за потребителски приложения, но мислили ли сте някога да поставите тези неща в мозъка? Това би било наистина интересно, защото можете да картографирате електрическа активност върху мозъка “.

Никога не бях мислил за този био интерфейс дотогава и това ми се стори като огромна възможност. И така, ние започнахме сътрудничество на тази основа. Взаимодействахме и с кардиолози от Медицинския университет в Пенсилвания. Разбирането на епилепсията също се оказа фокус, използвайки тези листове като диагностични платформи.

Това беше посока, която исках да следвам, но както знаете, в крайна сметка студентите имат голямо влияние върху вашите изследвания. И това беше толкова завладяваща идея за тях. Те видяха много по-голяма и по-висока цел в работата върху технологии, които биха могли да окажат положително въздействие върху човешкото здраве, отколкото технологиите, които биха могли да бъдат използвани за нова джаджа за потребителска електроника. И така, тези две неща се събраха.

Д-р Топол: Нещата, които преди сте разработвали, вече бяха умопомрачителни, но оттогава разработихте Snapchat на чипове в тялото.

Д-р Роджърс: Никога не съм го чувал да се отнася по този начин! (смее се) Това е доста добре!

Д-р Топол: Той се разпада, разтваря и се самоунищожава. Невероятно е! Тогава имате всички тези други идеи да използвате тези чипове върху мозъка и в сърцето, катетри с чипове, тестване за неща като хидратация или кръвно налягане. Има ли нещо, което не можете да измервате с тези чипове?

Д-р Роджърс: Това е добър въпрос. Повечето от сензорите, върху които се фокусирахме до този момент, наистина подчертават физическите измервания на свойствата, като напъни, напрежения, електрически потенциал, температура и други подобни неща. Мисля, че границата е в биохимични, а не в биофизични измервания.

Пот: "Светият граал"

Д-р Топол: Пуснахте статия за научна транслационна медицина ^[2], която представя този много готин дизайн за сензор за пот, който може да измерва лактат и електролити, което очевидно е било и зашеметяващо, но къде може да отиде това? Трябва ли да имате действителна пот или просто можете да получите това право на кожата?

Д-р Роджърс: В момента ние просто улавяме потта, която излиза от кожата във физическа течна форма. Еккринните жлези действат като помпи, които избутват тази пот в тези микрофлуидни аналитични мрежи. Можем да направим много с това, след като имаме дори само обеми от микролитър пот; можем да го направим наоколо и да правим всякакви анализи.

Но, както знаете, тялото ви непрекъснато се подлага на изпотяване без достатъчно течен обем, за да образува добре очертани капчици и това се изпарява почти веднага. Смятаме, че има чудесна възможност за нови дизайни на устройства и материали, които могат да уловят тази нечувствителна пот, така че не е нужно да правите физически упражнения, за да улавяте този вид био течност. Това е област на текущи изследвания за нас и това е мъчително.

Д-р Топол: Мислите ли, че ще успеете да го направите?

Д-р Роджърс: Изглежда, че трябва да е възможно. Ако погледнете кожата си под микроскоп, можете да видите, че потните ви жлези постоянно стрелят. Там има течност, но тя веднага се изпарява. В момента можем да улавяме водната пара, свързана с нечувствителната пот, и да я кондензираме в нашите устройства. Затова решихме, че проблемът е решен, но за съжаление процесът на изпаряване оставя всички биомаркери зад себе си.

Д-р Топол: Ако можете да направите това, то ще бъде като Светия Граал, тъй като всички тези неща се свързват толкова добре с това, което е в кръвта. Това ще бъде голямо.

Можем да измерим сърдечната аускултация, което не се прави в NICU днес. Можем също да измерваме времето за пристигане на пулса и да получаваме непрекъснати измервания на кръвното налягане.

Току-що се преместихте в Северозападния университет преди година и това, което научих точно днес, е, че сте взели тези чипове, които вече не са просто увлекателни пробиви, но сега са в кърмачета, в деца, в отделения за интензивно лечение. Разкажете ни за това.

Д-р Роджърс: Това беше една от основните мотивации при преминаването от университета в Илинойс, където прекарах 13 много продуктивни години с страхотни колеги. В Урбана обаче няма медицинско училище.

Ние доста добре си сътрудничихме с медицински училища в различни университети, в Сейнт Луис, като продължихме работата си с Медицинския университет в Пенсилвания и т.н. Но ние възприехме по-големи възможности да сме географски съвместни с активно медицинско училище с изследователи там.

Преместването в Северозапад наистина разруши броя на взаимодействията, които имаме с клиницистите. Чудесно е да публикуваме документи и да обучаваме аспирантите и т.н., но ние определяме успеха чрез разпространението на технологиите. Най-добрият, най-ефективен начин да направите това е да се ангажирате много интимно с медицинско училище.

В момента се провеждат всякакви изследвания по човешки теми. Както споменахте, имаме устройства в NICU, PICU, ICU. Имаме и редица ангажименти с Института за рехабилитация в Чикаго, който сега се нарича Shirley Ryan AbilityLab. Има огромни възможности там с пациентите на Паркинсон, пациенти, подложени на реабилитация от инсулт. Ние изучаваме афазия, дисфагия, всякакви неща. Нашата честотна лента е просто ограничена от броя на учениците, които имаме в групата.

Д-р Топол: Толкова е поразително да сравнявате снимка на новородено, прикрепена към всички тези проводници навсякъде по тялото им, с картина на новородено с само два от вашите чипс на кожата на гърдите и стъпалото. Усеща се, че това е съвсем нов свят. Това са видове, които ще направят ICU и болниците неразпознаваеми, използвайки този вид мониторинг, нали?

Д-р Роджърс: Надяваме се. Това е, към което се стремим. Мисля, че примерът на NICU е доста завладяващ, където факторът на формата на кожата е абсолютно необходим, а не само удобство.

Д-р Топол: Когато свалите [старите телени монитори], сваляте кожата при кърмачета, особено болни. Идеята, че можете да направите това по измисления от вас начин, е просто забележителна. Освен това вие сте в състояние да събирате данни, които дори не можете да получите от старите системи.

Д-р Роджърс: Това наистина е границата. В момента ние се фокусираме върху възпроизвеждането на клиничните инструменти, които се използват днес, но правят устройствата много по-инвазивни. Но след като сте стъпили, след като сте възпроизвели това, което се прави сега, ще има възможност да се разширите отвъд това и да направите всички видове измервания, които дори не са възможни в момента.

Например, можем да измерим сърдечна аускултация, което не се прави в NICU днес. Можем също да измерим времето за пристигане на пулса и да получим непрекъснати измервания на кръвното налягане, които също не се правят днес. Има всякакви възможности. Това е мястото, което търсим от гледна точка на бъдещите изследователски възможности.

Предизвикателства за финансиране

Д-р Топол: Докоснахте се до факта, че когато отидохте в Северозападен, това ви даде много по-добра възможност за пряка връзка с медицинската общност, а не само чрез отдалечени сътрудничества. Какво пречи на тази инженерно-медицинска коалесценция? Нуждаем се от това, за да напреднем на полето, а вие сте пример. Защо мислите, че не се случва по-често?

Д-р Роджърс: Трудно ми е да кажа точно. От моя личен опит мога да кажа, че именно тези части на транслационното инженерство са трудни за правене в академична обстановка. Съществуват сравнително малко потоци на финансиране, които ви позволяват да вземете това, което е разработено, основоположната наука от академична обстановка и да я преместите в смислени човешки разгръщания в клинично изпитване.

Имахме късмета, че на филантропско ниво е имало ангажимент, който да ни помогне да се опитаме да разрешим този проблем, но това не е мащабируем модел да получим по-голяма част от инженерната общност, ангажирана с този вид неща.

Мисля, че има възможности фондациите или може би федералните агенции за финансиране да разгледат и помислят дали е полезно да залагате на този стил на изследване. Това не е фундаментално научно откритие, но е важно парче, защото за да извадите нещата от лабораторията, трябва да ги направите, нали? Мисля, че резултатите от този вид работа дават дълбока и важна представа за насочване на научните въпроси в основните изследвания.

Това е важно парче и липсва финансиране специално за това, това означава, че трябва да търсите филантропия, трябва да стартирате компании и да набирате ресурси за рисков капитал. Това отнема много време, бавно и не особено ефективно. Има онзи аспект на пейзажа на финансиране, който наистина може да ускори голяма част от работата в това пространство.

Работа под микроскопа на медиите

Д-р Топол: Едно от нещата, които ми се сториха интересни е, че вие сте един от малкото инженери, които някога са имали профил в „Ню Йоркър“, „The Body Electric“^[3], който стартира през 2013 г. Кажете ни какво беше като да се мотаеш с журналист от Ню Йорк и да ги вградиш в теб в лабораторията си.

Д-р Роджърс: Беше интересно. Беше страхотно изживяване. За да бъда честна с вас беше малко нервно, защото тя прекара два цели дни с мен, сутрин до вечер, засенчвайки ме, докато се занимавах с бизнеса си. Тя се опитваше да събере толкова информация, колкото е възможно, за да напише парчето. Вложих доста сериозна мисъл и усъвършенствана подготовка, така че срещите да бяха такива, че да може да получи прозрения, необходими за написването на статията. Но никога не знаеш как ще се окажат тези неща.

Д-р Топол: Беше зашеметяващ.

Д-р Роджърс: Оказа се доста добре. Бях малко нервен. Дори не го прочетох само няколко месеца по-късно. Не исках да го гледам, но много хора го видяха. Беше невероятно нещо.

Д-р Топол: Надявам се общността на Medscape да отдели време, за да я прочете, защото тя наистина разказва много за вас. Той дори не споменава всички неща, за които сте били признати, като стипендията на MacArthur (известна още като „Грантът на гениалността“), наградата Lemelson-MIT, наградата Smithsonian Ingenuity и вашия избор в Националната инженерна академия., разбира се.

Но вие сте се люлеели. Променяте полето. Не са толкова много пионери, които са взели инженерство в медицината, колкото вие, по много отчетлив начин.

Сияеща светлина върху оптогенетиката

Д-р Топол: Другата област, която, разбира се, е гореща в момента, е оптогенетиката. Не бих се учудил, ако и вие сте добре в това. Това вярно ли е?

Д-р Роджърс: Ние сме доста дълбоко в това, да. През 2013 г. имаме вестник в Science ^[4], където използвахме способността си да правим много малки, много тънки полупроводникови устройства. Това е нещо основополагащо за интегрираните в кожата устройства, което е много от това, което правим, но същите тези идеи важат и за светодиоди (светодиоди).

Конвенционалният начин за извършване на оптогенетични изследвания, поне на модели на животни на гризачи, е да се използват оптични кабели, разработени от телекомуникационната индустрия, за да доставят светлина в целевите региони на дълбокия мозък. Този вид работи. Проблемът е, че той физически връзва животното към външен източник на светлина, което влияе върху техните естествени модели на поведение. Това от своя страна възпрепятства изучаването на социалните взаимодействия, тъй като две животни с влакно-оптични връзки веднага се заплитат едно с друго.

Започнахме да мислим дали можем да вземем тези много малки светодиоди и просто да ги инжектираме директно в мозъка, да се отървем от външния източник на светлина и оптичния кабел и безжично да доставим захранване на светодиодите надолу в района на интерес към мозъка и правят оптогенетика по този начин.

Оказа се, че работи. Удивително е, че можете да направите термичното управление на такова ниво, че да не повредите невроните, които се опитвате да стимулирате със светлината, и това става активиращо.

Има наистина голям интерес към достъпа до технологията. Всъщност стартирахме малка компания около тази технология и сега имаме около 30 системи по целия свят. По принцип това е радиочестотна контролна кутия със софтуерен интерфейс, а малките импланти осигуряват възможност за инжектиране на светодиоди надолу в дълбоките участъци на мозъка. Безжичният комбайн седи подкожно. Мишките с тези светодиоди в мозъка им изглеждат точно като мишки, които не са били модифицирани по този начин.

Д-р Топол: Той има някакъв страшен потенциал. Можете да си го представите като заместител на дълбоката мозъчна стимулация, почти като пейсмейкър за мозъка. Разбира се, като изследователски инструмент е доста забележително.

Гледам напред

Д-р Топол: Като напредвате, какви други области виждате за техните предизвикателства, но и за големия им потенциал?

Д-р Роджърс: Ние сме развълнувани от преходната електроника, за която споменахте преди няколко минути. Представата за лекарство, което е проектирано около електрониката, която се разтваря в тялото, е доста привлекателна.

Като пример имаме активни програми в електрически стимулатори, които взаимодействат с увредените периферни нерви и напълно се имплантират в тялото. След това можете безжично да доставяте електрически импулси към нерва, за да ускорите неврорегенерацията и изцелението. В този контекст бихте искали устройство, което в крайна сметка е биорезорбиращо, защото нямате нужда от устройството наоколо, след като нервът заздравее.

Този вид система, може би съчетана със сензорна модалност, която позволява затворена операция от типа обратна връзка-цикъл, е нещо, което според нас има важно бъдеще. Имаме много изследователски усилия в тази посока.

Д-р Топол: Ясно е, че преминавате отвъд способността за усещане към действителното лечение. Доста страхотен е.

Д-р Роджърс: Благодаря.