Anonim

Eric J. Topol, MD : Helló. Eric Topol vagyok, a Medscape főszerkesztője. Igazi öröm, hogy üdvözöljük John Rogers-t az északnyugati egyetemen, Evanstonban, Illinoisban. John valószínűleg a világ vezető szerepe az emberi testtel kölcsönhatásba lépő kreatív érzékelők fejlesztésében. Üdvözlet, John.

John A. Rogers, PhD : Örülök, hogy itt lehetek.

Dr Topol : Ön a Austini Texasi Egyetemen ment, majd a Massachusetts Institute of Technology (MIT) -be, ugye?

Dr Rogers : Igen. 6 éve voltam a MIT-en. Fizikai és kémiai diplomát, majd PhD-t fizikai kémiából szereztem. Ezután jövevényi ösztöndíjat kaptam a Harvard University Fellows Society társaságában, amely olyan volt, mint egy super-post-doc, 3 éves poszt. A fellebbezés az volt, hogy fizetést és ösztöndíjat biztosított, és bármit megtehetett, amit akart.

Vége az volt, hogy az idejemet elosztottam George Whitesides, a híres anyagkémikus és vállalkozó Harvard laboratóriumában végzett munkám között, a másik felét egy induló vállalkozással töltöttem, amelyet doktori kutatásaim alapján az MIT-ből indítottunk. Ez igazán szórakoztató idő volt, 1995 és 1997 között.

Dr Topol : Akkor elmentél a Bell Labs-ba?

Dr Rogers : Igen. Számos állásfoglalás céljából interjút készítettem, de mindig vonzottak a tudomány és a technológia felületére. A Bell Labs akkoriban olyan volt, mint a New York Yankees tudomány, összpontosítva az anyagokra, a technológiára, a lézerekre és az integrált áramkörökre. Öt nagyszerű évet töltöttem ott, amelynek során valóban kibővítettem szakterületemet.

Ez a "Bell Labs-ian" gondolkodásmód tényleg velem maradt, és alakította a kutatásomat. A Bell Labs után elmentem az Urbanói Illinoisi Egyetemen.

'Epidermal Electronics': Vékony bőrérzékelők

Dr. Topol : Először tudomást szereztem önökről egy 2011. évi Science Science cikkben [1] a „bőrforgácsokról”, amelyről úttörője volt. Mondj egy kicsit erről.

Image

Dr Rogers : Ez egy igazán fontos dokumentum volt számunkra. Fő szakértelem az elektronikus anyagokkal kapcsolatos. Az emberek többsége, akik tudományos kutatásokat végeznek az elektronikus anyagok területén, az elektronika jövőjére gondolnak, amelyet a Moore-törvény vezet.

A tranzisztorok egyre kisebbek lesznek; A mikroprocesszorok egységenként több tranzisztorral rendelkeznek, nagyobb és magasabb órasebességen, egyre kifinomultabb a működésük. Ez egy igazán vonzó terület a kutatás számára, mivel a Moore-törvény folytatódásának lehetővé tétele sok tudományos felfedezést és új tudományos betekintést igényel az ilyen méretű anyagokban.

Érdeklődött az elektronika más jövője iránt, amelyet nem annyira a tranzisztorok kritikus dimenziói vetnek ki, hanem az elektronikára, mint az emberi test lehetséges felületére gondolkodunk. Itt figyelembe kell vennie az anyagok biokompatibilitását és - ami még fontosabb - a fizikai tulajdonságokat körülvevő dolgokat, amelyek lehetővé teszik az áramköri technológia bensőséges integrációját a puha textúrájú, idődinamikus felületekkel, amelyeket a biológiában talál. Nagyon kicsit különbözik attól, ami valaha is jelen volt az integrált áramkörök kereskedelmi formáiban, amelyek mindegyike a félvezető lemezek merev sík felületére épült.

Ez a cikk volt az anyagtudomány körüli kulcsfontosságú ötletek első bemutatása, a mechanika tervei, az eszköz architektúrái, a rendszerszintű megfontolások, amelyek lehetővé tették számunkra, hogy bőr elektronszerű formákat hozzunk létre.

Egyes idegtudósok azt kérdezték: "Gondolt már már azon, hogy ezeket a dolgokat az agyra tesszük?"

Dr. Topol : Emlékszem a tudományos cikkből készült képekre, ezekkel a kis bőrdarabokkal a homlokon elektroencephalogramhoz és a mellkason kardiogramhoz, és arra gondoltam, hogy ez gondolkodást idéz elő.

Nem értem, hogy a kémiai és fizikai ebből a mérnöki háttérből hogyan kezdett foglalkozni a testtel, és összekapcsolta vele a chipeket.

Dr Rogers : Érdekes történet. Bekerültünk a rugalmas elektronika egész területébe, amikor visszatértem a Bell Laboratories-be, ahol új félvezető anyagok osztályait fejlesztettük ki. Az ötlet az volt, hogy ha létrehozhat integrált áramköreket műanyag lemezeken, akkor új osztályokat építhet fel a fogyasztói eszközökre. Különösen az érdekeltek a papírszerű rugalmas kijelzők.

Beszéltem a pennsylvaniai egyetemen az elektrotechnikáról a témáról, és utána néhány idegtudós kutatott velem. Azt mondták: "Hé, ezek hűvösek nagy katonai antennákhoz vagy rugalmas kijelzőkhöz a fogyasztói alkalmazásokhoz, de gondoltál már azon, hogy ezeket a dolgokat az agyra tesszük? az agyon. "

Addig még soha nem gondoltam erre a bio interfészre, és ez hatalmas lehetőségnek tűnt számomra. Tehát ezen az alapon kezdtük meg az együttműködést. Együttműködtünk a Pennsylvaniai Egyetemi Orvosiskola kardiológusaival is. Az epilepsziának a megértése szintén a középpontba került, és ezeket a lapokat diagnosztikai platformként használja.

Ez egy olyan irány, amelyet akartam folytatni, de mint tudod, végül a hallgatóknak van nagy hatása a kutatásukra. És ez egy ilyen kényszerítő ötlet számukra. Sokkal nagyobb és magasabb célt láttak olyan technológiák kidolgozásán, amelyek pozitív hatást gyakorolhatnak az emberi egészségre, mint az új fogyasztói elektronikai eszközökhöz felhasználható technológiák. Tehát ez a két dolog összejött.

Dr. Topol : Azok a dolgok, amelyeket korábban fejlesztettek, már gondolkodásképesek voltak, de azóta kifejlesztették a testben a chipek Snapchatt.

Dr Rogers : Soha nem hallottam, hogy erre utaltak volna! (nevet) Ez nagyon jó!

Dr. Topol : szétesik, feloldódik és önpusztul. Hihetetlen! Akkor ezen ötletek mindegyikével felhasználhattad ezeket a chipeket az agyban és a szívben, katétereket chipekkel, olyan tesztek elvégzésére, mint a hidratáció vagy a vérnyomás. Van valami, amit nem lehet megmérni ezekkel a chipekkel?

Dr Rogers : Ez jó kérdés. A szenzorok többsége, amelyekre eddig összpontosítottunk, valóban hangsúlyozta a fizikai tulajdonságok mérését, például a feszültségeket, feszültségeket, elektromos potenciált, hőmérsékletet és hasonló dolgokat. Úgy gondolom, hogy a határ inkább biokémiai, mint biofizikai mérésekben van.

Verejték: A 'Szent Grál'

Dr Topol : Ön közzétette a Science Translator Medicine cikket [2], amely bemutatta ezt a nagyon jó izzadság-érzékelő kialakítást, amely képes a laktát és az elektrolit mérésére, amely nyilvánvalóan lenyűgöző is volt, de hová lehet menni? Szüksége van-e valódi verejtékre, vagy csak megkapja ezt a bőrt?

Dr Rogers : Jelenleg csak a bőréből fakadó verejtéket veszünk fel fizikai folyadék formájában. Az eccrin mirigyek szivattyúként működnek, hogy az izzadságot ezekbe a mikrofluidikus elemző hálózatokba tolják. Sokat tehetünk ezzel, ha már csak mikroliter mennyiségű verejték van; át tudjuk irányítani és bármilyen elemzést végezhetünk.

De, amint tudod, a test folyamatosan izzad, anélkül, hogy elegendő folyadékmennyiség lenne a jól meghatározott cseppek kialakításához, és ez szinte azonnal elpárolog. Úgy gondoljuk, hogy nagyszerű lehetőség nyílik az olyan új eszköztervezetekre és anyagokra, amelyek elfoghatják ezt az érzéketlen izzadságot, tehát nem kell fizikailag gyakorolnia az ilyen biológiai folyadék elfogásához. Ez a számunkra folyamatban lévő kutatás területe, és fárasztó.

Dr Topol: Gondolod, hogy képes leszel rá?

Dr Rogers: Úgy tűnik, hogy lehetségesnek kell lennie. Ha mikroszkóp alatt nézi a bőrt, láthatja, hogy verejtékmirigyei folyamatosan tüzelnek. Van folyadék, de azonnal elpárolog. Jelenleg felfoghatjuk az érzéketlen izzadsághoz kapcsolódó vízgőzt, és kondenzálhatjuk azt készülékeinkben. Tehát azt gondoltuk, hogy megoldódott a probléma, de sajnos a párolgási folyamat minden biomarkert hátrahagy.

Dr Topol : Ha meg tudod csinálni, az olyan lesz, mint a Szent Grál, mivel ezek a dolgok annyira jól korrelálnak a vérben levővel. Nagyon nagy lesz.

Megmérhetjük a szív auscultation-jét, amit a mai NICU-ban még nem végeznek. Mérhetjük az impulzus érkezési idejét is, és folyamatos vérnyomásméréseket kaphatunk.

Éppen egy évvel ezelőtt költözött a Northwestern Egyetembe, és amit ma csak megtanultam, az az, hogy ezeket a zsetonokat elvette, amelyek már nem csupán lenyűgöző áttörések, hanem csecsemőkben, gyerekekben és intenzív osztályokon vannak. Mesélj nekünk erről.

Dr Rogers : Ez volt az egyik legfontosabb motiváció az Illinoisi Egyetemen való elköltözéshez, ahol 13 nagyon produktív évet töltöttem nagyszerű kollégáimmal. Urbanában azonban nincs orvosi iskola.

Nagyon jól sikerült együttműködni a különböző egyetemek orvosi iskoláival, St. Louis-ban, folytatni a munkát a Pennsylvaniai Egyetemi Orvostudományi Iskolával stb. De a nagyobb lehetőségeket úgy éreztük, hogy földrajzilag egy aktív orvosi iskolával vannak együtt, ahol ott vannak kutatók.

Az északnyugati irányba való költözés valóban kihasználta a klinikusokkal folytatott interakciók számát. Nagyszerű kiadványokat publikálni és végzős hallgatókat oktatni és így tovább, ám a sikert a technológiák elterjedése határozza meg. A legjobb, leghatékonyabb módszer erre az, ha nagyon szorosan elkötelezik magát az orvosi iskolával.

Mindenféle emberi tárgyú tanulmányunk van folyamatban. Mint említette, vannak eszközök a NICU-ban, a PICU-ban és az ICU-ban. Számos kapcsolatban állunk a chicagói Rehabilitációs Intézettel, amelyet ma Shirley Ryan AbilityLab-nek hívnak. Óriási lehetőségek vannak a Parkinson-betegekkel, akiknek agyvérzéses rehabilitációja van. Vizsgálunk afáziát, dysphagiát, mindenféle dolgot. Sávszélességünket valójában csak a csoportban lévő hallgatók száma korlátozza.

Dr Topol : Annyira feltűnő, ha összehasonlítunk egy képet egy újszülöttről, amely a test minden pontján rögzítve van, és egy olyan újszülött képével, amelynek mindössze kettő a bőre a mellkasán és a lábán. Úgy érzi, hogy ez egy teljesen új világ. Ez az a fajta fejlemény, amely az ICU-k és a kórházak felismerhetetlenné teszi az ilyen jellegű monitorozást, igaz?

Dr Rogers : Reméljük. Erre törekszünk. Úgy gondolom, hogy a NICU példa egy nagyon vonzó, ahol a bőr-szerű tényező nélkülözhetetlen, nem csupán a kényelem.

Dr. Topol : Ha levette a [régi huzalmonitorokat], akkor kiszáradt a csecsemők, különösen a betegek bőréről. Nagyon figyelemre méltó az a gondolat, hogy ezt megteheti úgy, ahogy azt kitalálta. Ezen felül olyan adatokat gyűjthet, amelyeket még a régi rendszerekből sem tudott megszerezni.

Dr Rogers : Ez valóban a határ. Jelenleg a manapság alkalmazott klinikai eszközök reprodukálására koncentrálunk, de az eszközöket sokkal kevésbé invazívvá tesszük. De ha egyszer van lábod, miután megismételte a jelenleg zajló tevékenységeket, akkor képes lesz arra is, hogy túlmutatjon és elvégezzen mindenféle mérést, amely jelenleg még nem lehetséges.

Például megmérhetjük a szív auscultation-jét, amit manapság a NICU-ban nem végeznek. Mérhetjük az impulzus érkezési idejét is, és folyamatos vérnyomásmérést kaphatunk, amelyet manapság szintén nem végeznek. Mindenféle lehetőség létezik. Itt tekintjük a jövőbeli kutatási lehetőségeket.

Finanszírozási kihívások

Dr. Topol : Ön megérintette azt a tényt, hogy amikor északnyugatra ment, sokkal jobb lehetőséget adott neked, hogy közvetlen kapcsolatot tartson fenn az orvosi közösséggel, nem csak távoli együttműködések révén. Mi hátráltatja ezt a mérnöki-gyógyszer-összeolvadást? Szükségünk van a mező előrelépésére, és te vagy a példás. Szerinted miért nem fordul elő gyakrabban?

Dr Rogers : Nekem nehéz pontosan megmondani. Saját személyes tapasztalataim szerint elmondhatom, hogy a transzlációs mérnöki részeket általában nehéz elvégezni egyetemi környezetben. Viszonylag kevés olyan finanszírozási forrás, amely lehetővé teszi a fejlett tudományos alapokból történő tudományos ismeretek átvételét és a klinikai vizsgálatban történő értelmes emberi alkalmazásokba való áthelyezését.

Szerencsénk volt, hogy jótékonysági szinten elkötelezettek vagyunk annak érdekében, hogy megpróbáljuk megoldani ezt a problémát, de ez nem egy méretezhető modell, hogy a mérnöki közösség nagyobb hányada vegyen részt az ilyen jellegű dolgokban.

Úgy gondolom, hogy vannak lehetőségek az alapítványoknak, esetleg a szövetségi finanszírozó ügynökségeknek, hogy megvizsgálják és elgondolkodjanak azon, hogy hasznos-e fogadásokat tenni erre a kutatási stílusra. Ez nem alapvető tudományos felfedezés, de fontos darab, mert ahhoz, hogy a dolgokat kikerüljék a laboratóriumból, ezeket meg kell tennie, ugye? Úgy gondolom, hogy az ilyen típusú munka mély és fontos betekintést nyújt a tudományos kérdések irányításához az alapkutatásban.

Ez egy fontos darab, és kifejezetten ehhez nincs finanszírozás, ez azt jelenti, hogy filantrópiát kell keresnie, vállalkozásokat indítania kell, és kockázatitőke-forrásokat kell gyűjtenie. Időigényes, lassú és nem különösebben hatékony. A finanszírozási környezetnek ez a aspektusa ténylegesen felgyorsíthatja az ezen a téren végzett munkát.

Munka a média mikroszkóp alatt

Dr Topol : Az egyik dolog, ami érdekessé vált rólad, az volt, hogy egyike annak a kevés mérnöknek, akinek valaha is volt profilja a The New Yorkerben, a "The Body Electric" -ben [3], amely 2013-ban futott. Mondja el nekünk, mit olyan volt, mint egy New Yorker újságíróval lógni, és beágyazni velük a laborba.

Dr Rogers : Érdekes volt. Nagyszerű élmény volt. Kicsit ideges volt, hogy őszinte legyek őszinte, mert két teljes napot töltött velem, reggeltől este, árnyékot vetve, amikor vállalkoztam. Annyi információt próbált összegyűjteni, amennyit csak tudott, hogy megírja a darabot. Meglehetősen sok gondolatot és fejlett előkészítést tettem bele, hogy a találkozók olyanok legyenek, hogy megismerhesse a cikkírásához szükséges betekintést. De soha nem tudhatod, hogyan fognak kiderülni ezek a dolgok.

Dr Topol : Lenyűgöző volt.

Dr Rogers : Nagyon jól kiderült. Kicsit ideges voltam. Még csak néhány hónappal később is elolvastam. Nem akartam nézni, de sok ember látta. Csodálatos dolog volt.

Dr. Topol : Remélem, hogy a Medscape közösség időbe telik, hogy olvassa el, mert valójában sokat mond rólad. Még nem említi az összes olyan dolgot, amelyért elismerést nyert, mint például a MacArthur ösztöndíj (más néven "a Genius Grant"), a Lemelson-MIT-díj, a Smithsonian találékonysági díj és a Nemzeti Mérnöki Akadémia megválasztása., természetesen.

De ringatottál. Megváltoztatta a mezőt. Nem olyan sok úttörő vette át a gyógyszert a gyógyászat felé, mint ön, nagyon határozott módon.

Ragyog az optogenetika

Dr Topol : A másik terület, amely jelenleg természetesen forró, az optogenetika. Nem lennék meglepve, ha Ön is jól belemegy ebbe. Igaz?

Dr Rogers : Nagyon mélyen belefoglalunk ebbe, igen. 2013-ban volt egy cikkünk a Science-ben [4], ahol kihasználtuk képességünket nagyon apró, nagyon vékony félvezető eszközök gyártására. Ez egyfajta alapot jelent a bőrbe integrált eszközökhöz, ami sok mindent megtesz, de ugyanezek az ötletek vonatkoznak a fénykibocsátó diódákra is.

Az optogenetikai vizsgálatok szokásos módja, legalábbis a rágcsálók állati modelljeinél, a távközlési ipar által kifejlesztett száloptikai kábelek használata, hogy fényt juttassanak a mély agy célzott régióira. Ez a fajta munka. A probléma az, hogy az állatot fizikailag külső fényforráshoz köti, ami befolyásolja természetes viselkedésmintájukat. Ez viszont megakadályozza a társadalmi interakciók tanulmányozását, mivel két optikai kötésű állat azonnal összezavarodik egymással.

Elkezdtük gondolkodni azon, hogy el tudjuk-e venni ezeket a nagyon apró LED-eket, és csak közvetlenül az agyba injektálhatjuk őket, megszabadulhatunk a külső fényforrástól és az száloptikai kábeltől, és vezeték nélküli módon továbbíthatjuk az áramot a LED-ekhez az agyat, és így végezzen optogenetikát.

Kiderült, hogy működik. Csodálatos, hogy olyan hőszigetelő rendszert végezhet el, hogy nem károsítja azokat a neuronokat, amelyeket megpróbál a fénnyel stimulálni, és ez lehetővé teszi.

Nagyon nagy érdeklődés mutatkozik a technológiához való hozzáférés iránt. Valójában egy kis társaságot alapítottunk ennek a technológiának a körül, és most körülbelül 30 rendszerünk van világszerte. Alapvetően ez egy rádiófrekvenciás vezérlődoboz szoftver interfésszel, és az apró implantátumok képesek LED-eket beadni az agy mélyebb területeire. A vezeték nélküli kombájn subdermálisan ül. Azok az egerek, amelyek agyában ezek a LED-ek vannak, pontosan olyanok, mint az egerek, amelyeket nem módosítottak ilyen módon.

Dr. Topol : Van ijesztő lehetősége. Elképzelheti, hogy ez helyettesíti a mély agyi stimulációt, szinte mint az agy pacemakere. Természetesen, mint kutatási eszköz, meglehetősen figyelemre méltó.

Előretekintve

Dr Topol : Ahogy haladsz előre, milyen más területeket lát a kihívásokkal, de a nagy potenciállal együtt?

Dr Rogers : Izgatottak vagyunk a tranziens elektronika iránt, amelyre néhány perccel ezelőtt utaltál. A gyógyszer fogalma, amelyet a testben feloldódó elektronika köré építenek, nagyon vonzó.

Példaként olyan aktív programokat működtetünk az elektromos stimulátorokban, amelyek kapcsolódnak a sérült perifériás idegekhez és teljesen beültetnek a testbe. Ezután vezeték nélkül továbbíthat elektromos impulzusokat az idegbe az neuroregeneráció és a gyógyulás felgyorsítása érdekében. Ebben az összefüggésben egy olyan eszközt szeretnél, amely végső soron bioreszorbeálódik, mivel nincs szüksége az eszközre, amíg az ideg meggyógyult.

Ez a fajta rendszer, amelyhez valószínűleg csatlakozik egy érzékelési módszer, amely lehetővé teszi a zárt visszacsatolás – hurok típusú műveletet, úgy gondoljuk, hogy fontos jövője van. Nagyon sok kutatási erőfeszítés történik ebbe az irányba.

Dr. Topol : Nyilvánvaló, hogy az érzékelési képességén túl haladsz a tényleges kezelésre. Nagyon félelmetes.

Dr Rogers : Köszönöm.