في المساحة التي كانت تُستخدم لإستيعاب ترانزستور واحد، نستطيع الآن تخزين مليار. ذلك ما جعل حاسوبا بحجم غرفة كاملة يتسع الآن له جيبك. قد تقول أن المستقبل صغير.
In the space that used to house one transistor, we can now fit one billion. That made it so that a computer the size of an entire room now fits in your pocket. You might say the future is small.
كمهندسة، تُلهمني ثورة التصغير في الحواسيب. كطبيبة، أتساءل إذا ما كنا نستطيع استخدامها في تقليل عدد الأرواح المفقودة بسبب أسرع الأمراض انتشاراً على وجه الأرض: السرطان. عندما أقول ذلك الآن، يسمعُ أغلب الناس أنني أقول أننا نعمل على علاج السرطان. ونفعلُ ذلك. لكن اتضح أن هناك فرصة عظيمة لإنقاذ الأرواح من خلال الاكتشاف المبكر والوقاية من السرطان.
As an engineer, I'm inspired by this miniaturization revolution in computers. As a physician, I wonder whether we could use it to reduce the number of lives lost due to one of the fastest-growing diseases on Earth: cancer. Now when I say that, what most people hear me say is that we're working on curing cancer. And we are. But it turns out that there's an incredible opportunity to save lives through the early detection and prevention of cancer.
عالمياً، يمكن تفادي أكثر من ثلثي حالات الوفاة بسبب السرطان تماماً باستخدام الأساليب التي بين أيدينا اليوم. مثل التطعيم والفحص المبكر وبالطبع التوقف عن التدخين. لكن حتى مع أفضل الأدوات والتقنيات التي نمتلك اليوم، لا يمكن الكشف عن بعض الأورام إلا بعد 10 سنوات من بداية نموها، عندما تصبح 50 مليون خلية سرطانية قوية. لكن ماذا لو كانت لدينا تقنيات أفضل للكشف المبكر عن بعض تلك السرطانات الأكثر فتكاً، متى يمكن استئصالها، متى بدأت في النمو؟
Worldwide, over two-thirds of deaths due to cancer are fully preventable using methods that we already have in hand today. Things like vaccination, timely screening and of course, stopping smoking. But even with the best tools and technologies that we have today, some tumors can't be detected until 10 years after they've started growing, when they are 50 million cancer cells strong. What if we had better technologies to detect some of these more deadly cancers sooner, when they could be removed, when they were just getting started?
دعوني أخبركم كيف يمكن للتصغير أن يوصلنا إلى هناك. هذا مجهر في مختبر تقليدي سيستخدمه أخصائي تشخيص الأمراض ليفحص عينة نسيج حيوي، كالخزعة أو مسحة عنق الرحم. قيمة هذا المجهر 7000$ وسيُستخدم من قبل شخص خضع لسنوات من التدريب المتخصص لاكتشاف الخلايا السرطانية. هذه هي صورة من أحد زملائي في جامعة رايس، ربيكا ريتشارد- كورتوم. ما قامت به هي وفريقها هو تصغير هذا المجهر الكامل إلى هذا الجزء الذي قيمته 10$، والذي يُناسب نهاية الليف البصري الزجاجي. ما يعنيه ذلك الآن هو أنه بدلاً من أخذ عينة من المريض وإرسالها إلى المجهر، تستطيع إحضار المجهر إلى المريض. وثم بدلاً من مطالبة مختص للنظر في الصور، تستطيع تدريب الكمبيوتر ليميّز الخلايا الطبيعية من السرطانية.
Let me tell you about how miniaturization might get us there. This is a microscope in a typical lab that a pathologist would use for looking at a tissue specimen, like a biopsy or a pap smear. This $7,000 microscope would be used by somebody with years of specialized training to spot cancer cells. This is an image from a colleague of mine at Rice University, Rebecca Richards-Kortum. What she and her team have done is miniaturize that whole microscope into this $10 part, and it fits on the end of an optical fiber. Now what that means is instead of taking a sample from a patient and sending it to the microscope, you can bring the microscope to the patient. And then, instead of requiring a specialist to look at the images, you can train the computer to score normal versus cancerous cells.
هذا هو المهم الآن، لأن ما وجدوه يعمل في المجتمعات الريفية، هو أنه حتى عندما يتوفر لديهم حافلة فحص متنقلة التي تستطيع الذهاب إلى المجتمع وعمل الفحوصات وجمع العينات وإرسالها إلى المستشفى الرئيسي من أجل التحليل ولاحقاً بعد أيام، تتلّقى النساء مكالمة هاتفية بنتيجة فحص غير عادية ويُطلب منهن الحضور، لا يحضر نصف العدد الكامل بسبب عدم قدرتهن على تحمل تكاليف الرحلة. فمع دمج المجهر والتحليل الحاسوبي، استطاعت ربيكا وزملاؤها من تطوير حافلة تحتوي على المعدات التشخيصية والعلاجية معاً. وما يعنيه ذلك هو أنهم يستطيعون عمل التشخيص ويقومون بالعلاج فوراً في نفس المكان، لذلك لا يتغيب أحد عن المتابعة والفحص من جديد.
Now this is important, because what they found working in rural communities, is that even when they have a mobile screening van that can go out into the community and perform exams and collect samples and send them to the central hospital for analysis, that days later, women get a call with an abnormal test result and they're asked to come in. Fully half of them don't turn up because they can't afford the trip. With the integrated microscope and computer analysis, Rebecca and her colleagues have been able to create a van that has both a diagnostic setup and a treatment setup. And what that means is that they can do a diagnosis and perform therapy on the spot, so no one is lost to follow up.
كان ذلك مجرد مثال واحد على كيف يمكن للتصغير أن يُنقذ الأرواح. الآن كمهندسين، نفكر في هذا كتصغير حقيقي مباشر. تأخذ شيئاً كبيراً وتجعله صغيراً. لكن ما أخبرتكم به سابقاً عن الحواسيب كان أنهم غيّروا حياتنا عندما أصبحوا صغار الحجم بما يكفي لحملها معنا في كل مكان. إذاً ماهو التغيير التحولي المشابهه لذلك في الطب؟ حسناً، ماذا لو كان لديك كاشف صغير جداً لدرجة أنه يستطيع السريان والدوران في جسمك، ويجد الورم من تلقاء ذاته ويرسل إشارة إلى العالم الخارجي؟ يبدو هذا تقريباً مثل الخيال العلمي. لكن في الواقع، تسمحُ لنا تقنية النانو- القيام بذلك فعلا. تسمحُ لنا تقنية النانو بتقليص الأجزاء المكّونة للكاشف من عرض شعرة الإنسان، التي تعادل 100 ميكرون، إلى ألف مرة أصغر من ذلك. أي 100 نانومتر،. ولدى ذلك انعكاسات عميقة.
That's just one example of how miniaturization can save lives. Now as engineers, we think of this as straight-up miniaturization. You took a big thing and you made it little. But what I told you before about computers was that they transformed our lives when they became small enough for us to take them everywhere. So what is the transformational equivalent like that in medicine? Well, what if you had a detector that was so small that it could circulate in your body, find the tumor all by itself and send a signal to the outside world? It sounds a little bit like science fiction. But actually, nanotechnology allows us to do just that. Nanotechnology allows us to shrink the parts that make up the detector from the width of a human hair, which is 100 microns, to a thousand times smaller, which is 100 nanometers. And that has profound implications.
اتضح في الواقع أن المواد تغير خصائصها عند مستوى المقياس النانومتر. عندما تأخذُ مادة معروفة كالذهب، وتطحنها إلى غبار، إلى جزيئيات نانو ذهبية، فإنها تتغير من اللون الذهبي إلى اللون الأحمر. أما لو أخذت مادة غريبة مثل سيلينيد الكادميوم -- التي تشكل بلورات سوداء كبيرة -- إذا قمت بعمل بلورات نانوية من هذه المادة ووضعتها في سائل، وسلّطت النور عليها، فإنها تشعُ وتتوهج، تشع باللون الأزرق والأخضرو الأصفر والبرتقالي والأحمر، تبعاً إلى حجمها فقط. ذلك جامح! هل لكم أن تتخيلوا جسماً كهذا في العالم الكبير؟ سيبدو ذلك كأن جميع ملابس الجينز من قماش الدينم في خزانتك مصنوعة كلها من القطن، لكنها في ألوان مختلفة معتمدة على حجمها فقط.
It turns out that materials actually change their properties at the nanoscale. You take a common material like gold, and you grind it into dust, into gold nanoparticles, and it changes from looking gold to looking red. If you take a more exotic material like cadmium selenide -- forms a big, black crystal -- if you make nanocrystals out of this material and you put it in a liquid, and you shine light on it, they glow. And they glow blue, green, yellow, orange, red, depending only on their size. It's wild! Can you imagine an object like that in the macro world? It would be like all the denim jeans in your closet are all made of cotton, but they are different colors depending only on their size.
(ضحك)
(Laughter)
كطبيبة، ما يثير اهتمامي فقط هو أنه ليس فقط لون المواد التي تتغير عند مقياس النانو؛ طريقة سريانها في جسمك تتغير أيضاً. هذه هي نوع الملاحظة التي سنستخدمها لصنع كاشف أفضل عن السرطان.
So as a physician, what's just as interesting to me is that it's not just the color of materials that changes at the nanoscale; the way they travel in your body also changes. And this is the kind of observation that we're going to use to make a better cancer detector.
دعوني أريكم ماذا أعني بذلك. هذا وعاء دموي في الجسم. يحيط الورم بهذا الوعاء الدموي. سوف نقوم بحقن جزيئات النانو في الوعاء الدموي ومراقبة كيف تنتقل من مجرى الدم إلى الورم. لقد تبين الآن أن الأوعية الدموية للعديد من الأورام هي مُسربة/راشحة، بالتالي يُمكن لجزيئات النانو أن تتسرب من مجرى الدم إلى الورم. إذا كان تسربها يعتمد على حجمها. في هذه الصورة، تتسرب إلى الخارج جزيئات النانو الزرقاء المتناهية الصغر حجم 100 نانومتر، والجزيئات الحمراء الأكبر حجم 500 نانومتر، عالقة في مجرى الدم. هذا يعني لي كمهندسة، بالإعتماد على كبر أو صغر المادة التي أصنعها، استطيع تغيير أين تذهبُ في جسمك.
So let me show you what I mean. This is a blood vessel in the body. Surrounding the blood vessel is a tumor. We're going to inject nanoparticles into the blood vessel and watch how they travel from the bloodstream into the tumor. Now it turns out that the blood vessels of many tumors are leaky, and so nanoparticles can leak out from the bloodstream into the tumor. Whether they leak out depends on their size. So in this image, the smaller, hundred-nanometer, blue nanoparticles are leaking out, and the larger, 500-nanometer, red nanoparticles are stuck in the bloodstream. So that means as an engineer, depending on how big or small I make a material, I can change where it goes in your body.
في مختبري، قمنا بصنع كاشف نانوي للسرطان متناهي الصغر الذي يمكنه التنقل في الجسم والبحث عن الأورام. صممناه للتصنت إلى اجتياح الورم: معزوفة الإشارات الكيميائية التي تحتاج الأورام لعملها لكي تنتشر. لكي يندفع الورم من النسيج الذي وُجد فيه، يتوجب عليه عمل مواد كيميائية تسمى الأنزيمات لسحقها من خلال سقالات هندسة النسيج المترابطة. صممنا جزيئيات النانو تلك بحيث يتم تنشيطها بواسطة هذه الأنزيمات. يستطيع أنزيم واحد تفعيل الآلاف من هذه التفاعلات الكيميائية في ساعة واحدة. حالياً في الهندسة، نسمي ذلك نسبة واحد-إلى-ألف نوعا من التضخيم، ويقوم بجعل شيء ما فائق الحساسية. لذلك قمنا بصنع كاشف سرطان فائق الحساسية.
In my lab, we recently made a cancer nanodetector that is so small that it could travel into the body and look for tumors. We designed it to listen for tumor invasion: the orchestra of chemical signals that tumors need to make to spread. For a tumor to break out of the tissue that it's born in, it has to make chemicals called enzymes to chew through the scaffolding of tissues. We designed these nanoparticles to be activated by these enzymes. One enzyme can activate a thousand of these chemical reactions in an hour. Now in engineering, we call that one-to-a-thousand ratio a form of amplification, and it makes something ultrasensitive. So we've made an ultrasensitive cancer detector.
حسناً، لكن كيف لي أن أنقل هذه الإشارة النشطة إلى العالم الخارجي، أين أستطيع العمل عليها؟ سنستخدم من أجل ذلك قطعة آخرى نانوية حيوية، وهذا له علاقة بالكلية. الكلية عبارة عن مصفاة. وظيفتها هي تصفية الدم وإخراج الفضلات في البول. لقد اتضح أن ما تقوم الكلية بتصفيته يعتمد أيضاً على الحجم. في هذه الصورة، تستطيعون رؤية أن كل شئ أصغر من خمسة نانومتر ينتقل من الدم عبر الكلية إلى البول، وكل شيء آخر أكبر من ذلك يبقى. حسناً، لو قمتُ بصنع كاشف سرطاني حجم 100 نانومتر، وقمت بحقنه في مجرى الدم، يمكنه التسرب إلى الورم حيث تقوم أنزيمات الورم بتنشيطه لافراز إشارات صغيرة صغيرة بما يكفي لتصفيتها عبر الكلية ثم إخراجها في البول، لدي إشارة في العالم الخارجي أستطيع الكشف عنها.
OK, but how do I get this activated signal to the outside world, where I can act on it? For this, we're going to use one more piece of nanoscale biology, and that has to do with the kidney. The kidney is a filter. Its job is to filter out the blood and put waste into the urine. It turns out that what the kidney filters is also dependent on size. So in this image, what you can see is that everything smaller than five nanometers is going from the blood, through the kidney, into the urine, and everything else that's bigger is retained. OK, so if I make a 100-nanometer cancer detector, I inject it in the bloodstream, it can leak into the tumor where it's activated by tumor enzymes to release a small signal that is small enough to be filtered out of the kidney and put into the urine, I have a signal in the outside world that I can detect.
حسناً، لكن هناك أيضاً مشكلة إضافية واحدة. هذه إشارة صغيرة جداً، كيف يمكنني الكشف عنها؟ حسناً، الإشارة عبارة عن جزيء فقط. إنها جزيئات صممناها كمهندسين. إنها اصطناعية بالكامل ونستطيع تصمميها لتتطابق مع الأداة التي نختارها. اذا أردنا استخدام جهاز حساس وفاخر الذي يدعى مطياف الكتلة ، عندها سنصمم جزيء بكتلة فريدة من نوعها. أو قد نرغبُ في تصميم شيء غير مكلف وقابل للحمل والتنقل. عندها نجعلُ الجزيئات التي يمكننا عرضها على ورقة، مثل فحص الحمل المنزلي. في الواقع، هناك عالم متكامل من اختبارات الأشرطة الورقية التي أصبحت متوفرة في مجال يسمى التشخيصات الورقية.
OK, but there's one more problem. This is a tiny little signal, so how do I detect it? Well, the signal is just a molecule. They're molecules that we designed as engineers. They're completely synthetic, and we can design them so they are compatible with our tool of choice. If we want to use a really sensitive, fancy instrument called a mass spectrometer, then we make a molecule with a unique mass. Or maybe we want make something that's more inexpensive and portable. Then we make molecules that we can trap on paper, like a pregnancy test. In fact, there's a whole world of paper tests that are becoming available in a field called paper diagnostics.
حسناً، إلى أين نحنُ ذاهبون بهذا؟ ما سأخبركم به لاحقاً، كباحثة مدى الحياة، يمثل حلما بالنسبة لي. لا أستطيع القول بأنه وعد مني؛ إنه حلم. لكن أعتقد أنه يجب علينا جميعاً أن تكون لدينا أحلام تدفعنا للأمام، حتى -- وقد يكون بشكل خاص -- الباحثين في مجال السرطانات.
Alright, where are we going with this? What I'm going to tell you next, as a lifelong researcher, represents a dream of mine. I can't say that's it's a promise; it's a dream. But I think we all have to have dreams to keep us pushing forward, even -- and maybe especially -- cancer researchers.
سأخبركم عن ما آمل حدوثه باستخدام تقنيتي هذه، والذي سنقوم فريقي وأنا بوضع بقلوبنا وأرواحنا لجعله حقيقة. حسناً، إليكم إياه. أحلم أنه يوماً ما، بدلاً من الذهاب إلى منشأة فحص مكلفة للخضوع لمنظار القولون، أو فحص أورام الثدي، أو مسحة عنق الرحم، تستطيع الحصول على حقنة أو جرعة، والانتظار لمدة ساعة، ثم عمل فحص البول على شريط فحص ورقي. أتخيل إمكانية حدوث ذلك دون الحاجة إلى مصدر كهربائي دائم، أو وجود متخصص طبي في الغرفة. قد يكونون في مكان بعيد ويتم التواصل معهم عبر صورة على الهاتف الذكي المحمول.
I'm going to tell you what I hope will happen with my technology, that my team and I will put our hearts and souls into making a reality. OK, here goes. I dream that one day, instead of going into an expensive screening facility to get a colonoscopy, or a mammogram, or a pap smear, that you could get a shot, wait an hour, and do a urine test on a paper strip. I imagine that this could even happen without the need for steady electricity, or a medical professional in the room. Maybe they could be far away and connected only by the image on a smartphone.
أعلمُ أن هذا يبدو كحلم الآن، لكن في المختبر أصبح ذلك ممكناً على الفئران، حيث أنه يعمل بشكل أفضل من الطرق المتوفرة لاكتشاف سرطان الرئة، القولون والمبايض. وآملُ أن ما يعنيه هذا هو أننا في يوم ماً سيكون في وسعنا الكشف عن الأورام في المرضى خلال أقل من 10 سنوات منذ بداية نموها، في كل مجالات الحياة، وحول العالم، وسيؤدي ذلك إلى علاجات مبكرة، وسنستطيع إنقاذ المزيد من الأرواح اكثر مما نقوم به اليوم، بالكشف المبكر.
Now I know this sounds like a dream, but in the lab we already have this working in mice, where it works better than existing methods for the detection of lung, colon and ovarian cancer. And I hope that what this means is that one day we can detect tumors in patients sooner than 10 years after they've started growing, in all walks of life, all around the globe, and that this would lead to earlier treatments, and that we could save more lives than we can today, with early detection.
شكراً لكم
Thank you.
(تصفيق)
(Applause)