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.
Egy akkora helyen, ahol egykor egyetlen tranzisztor fért el, ma már 1 milliárdot helyezhetünk el. Így lehetséges az, hogy egy egész szobát betöltő számítógép mára elfér a zsebünkben. Mondhatjuk: a jövő apró.
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.
Mérnökként a számítógépek miniatürizálásának forradalma lelkesedéssel tölt el. Orvosként azon tűnődöm: felhasználhatnánk-e a forradalmat, hogy csökkentsük a világ egyik leginkább elharapózó betegségében elhunytak számát. Ez a betegség pedig a rák. Amikor ezt most kimondtam, a legtöbben arra gondolnak, hogy a rák gyógyításán dolgozunk. Ez így is van. De mint kiderült, ahhoz, hogy életet menthessünk, hatalmas szerepe van a rák korai felismerésének és megelőzésének.
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?
Világszerte a rák okozta halálesetek több mint 2/3-a teljesen megelőzhető a jelenlegi módszerekkel, pl. oltással, idejében elvégzett szűréssel és persze a dohányzás abbahagyásával. De pár daganatot még a legjobb eszközökkel és technológiákkal sem lehet korán észlelni, csak 10 évvel azután, hogy elkezdett növekedni, amikor már 50 millió rákos sejtből áll. Mi volna, ha olyan technológiánk lenne, amivel e daganatokat sokkal hamarabb felfedezhetnénk, amikor még eltávolíthatók, mikor még éppen hogy elkezdtek terjedni?
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.
Elmondom, hogy miniatürizálással miként érhető ez el. Ez egy átlagos labormikroszkóp, amit patológusok használnak pl. biopsziából vagy PAP-kenetből származó szövetminta vizsgálatára. Ezt a 7 000 dolláros mikroszkópot olyan szakember használja, akit évekig képeztek arra, hogy megtalálja a rákos sejteket. Ezt a képet a Rice Egyetemen dolgozó egyik kollégámtól, Rebecca Richards-Kortumtól kaptam. Ő és a csapata miniatürizálta az egész mikroszkópot ebbe a 10 dolláros egységbe, amely befér egy optikai szál végébe. Így ahelyett, hogy a betegtől levett mintát elküldenénk mikroszkópos vizsgálatra, a beteghez hozzuk el a mikroszkópot. S ahelyett, hogy szakember kellene a képek elemzéséhez, megtaníthatjuk a számítógépet az ép és rákos sejtek megkülönböztetésére.
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.
Ez nagyon fontos, mert vidéken azt tapasztalták, hogy hiába van mobil szűrőállomásuk, amellyel e területekre eljutva vizsgálatokat végeznek és mintákat gyűjtenek, elküldik őket elemzésre a központi kórházba, majd napokkal később felhívják a pácienst, hogy pozitívak az eredményei, és megkérik, hogy fáradjon be. Az esetek felében nem jelenik meg, mert nincs pénze az útra. Ezzel a mikroszkópba integrált számítógéppel Rebecca és munkatársai olyan vizsgálóbuszt hoztak létre, mely szűrőállomás és kezelőegység is egyben. Ez azt jelenti, hogy helyben felállíthatják a diagnózist, és elkezdhetik a kezelést, tehát nem tűnik el senki a folyamatban.
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.
Ez csak egy példa, hogy a miniatürizálás miként menthet életet. Mérnökként valódi miniatürizálásra gondolok. Fogunk egy nagy dolgot és kisebbet csinálunk belőle. Korábban említettem, hogy a számítógépek hogyan változtatták meg életünket, amikor épp elég kicsit lettek ahhoz, hogy bárhová magunkkal vihessük őket. Vajon mi ennek a megfelelője a gyógyításban? Milyen volna, ha lenne egy érzékelőnk, ami olyan kicsi, hogy keringhet a testünkben, teljesen önállóan megtalálja a daganatot, és jelet küld róla a külvilágnak? Tudományos fantasztikumnak hangzik. De a nanotechnológia épp ebben segít nekünk. A nanotechnológia segít az érzékelőt összezsugorítani egy emberi hajszál 100 mikronnyi vastagságánál ezerszer kisebb, 100 nanométeres egységgé. Ennek alapvető kihatásai vannak.
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.
Kiderült, hogy a nano-mérettartományban az anyagok tulajdonságai megváltoznak Veszünk egy közönséges anyagot, pl. az aranyat, porrá őröljük, arany nanorészecskékké, és színe aranyról pirosra fog változni. Ha veszünk egy különlegesebb anyagot, mint pl. a kadmium-szelenidet – nagy, fekete kristályokból álló anyag –, és nanokristályokat képezünk belőle, folyadékba tesszük, megvilágítjuk, akkor ragyogni fog. Kéken, zölden, sárgán, narancsosan és pirosan, csakis méretüktől függően. Ez hihetetlen! Elképzelhető ilyen a makrovilágban? Mintha a szekrényünkben lógó, ugyanabból a pamutból készült farmerek csakis méretüktől függően különböző színűek lennének.
(Laughter)
(Nevetés)
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.
Orvosként nemcsak az érdekel, hogy az anyagok hogyan változtatják színűket nanoméretekben, hanem az is, hogy miként terjednek testünkben. Ezt a megfigyelést használjuk, hogy jobb rákérzékelőket készítsünk.
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.
Megmutatom, mire gondolok. Ez egy véredény a testünkben. A véredény körül daganat van. Nanorészecskéket injektálunk ebbe az érbe, és megfigyeljük, hogyan kerülnek a véráramból a daganatba. Kiderült, hogy számos daganat véredénye szivárog, így a nanorészecskék kiszivároghatnak a véráramból a daganatba. Hogy kijutnak-e, az a méretüktől függ. Ezen a képen a kisebb, 100 nanométeres kék részecske szivárog ki, a nagyobb, 500 nanométeres piros részecske pedig bent marad a véráramban. Tehát attól függően, mekkorára készítek egy anyagot, változtathatom, hogy hová kerüljön a testben.
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.
Laboromban nemrég készítettünk egy nanoméretű daganatérzékelőt. Olyan kicsit, hogy képes keringeni a testben daganatok után kutatva. Úgy terveztük, hogy figyelje a daganat terjedését: azon kémiai jelek összességét, melyeket terjedéséhez a daganat termel. Hogy a daganat kiszabaduljon a szövetből, ahol keletkezett, enzimeket kell kibocsátania, hogy átrágja magát a környező szöveteken. Úgy terveztük a nanorészecskéket, hogy ezek az enzimek indítsák be őket. Egyetlen enzim egy óra alatt vegyi reakciók ezreit képes indítani. Ezt a mérnöki nyelvben ezerszeres erősítésnek nevezzük, ezzel tehetünk valamit nagyon érzékennyé. Így készítettünk egy nagyon érzékeny rákérzékelőt.
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.
De hogyan juttassam ki a keletkezett jelet a külvilágba, ahol aztán tudok vele valamit kezdeni? Ehhez a nanoméretű biológia még egy elemét fogjuk használni, mely a vesével kapcsolatos. A vese egy szűrő. Feladata, hogy megszűrje vérünket, és a hulladékot a vizeletbe gyűjtse. Hogy a vese miket szűr ki, az szintén méretfüggő. Ezen a képen, amint láthatják, minden, ami kisebb mint 5 nanométer, az a vérből a vesén át egyenesen a vizeletbe távozik; minden, ami ettől nagyobb, visszamarad. Rendben, csinálok egy 100 nanométeres rákérzékelőt, bejuttatom a véráramba, beszivárog a daganatba, ahol az enzimek beindítják, így olyan jelet küld, ami elég kicsiny ahhoz, hogy a vese megszűrje, és a vizeletbe kerüljön. Tehát kijutott a felismerhető jel.
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.
De van még egy nehézség. A jel nagyon gyenge. Hogyan fogom felismerni? A jel csupán egy molekula. E molekulákat mi, mérnökök terveztük. Teljesen szintetikusak és tervezhetők, azaz illeszthetők a kívánt eszközökhöz. Ha nagyon érzékeny és bonyolult műszert akarunk használni, pl. a tömegspektrométert, akkor egyedi tömegű molekulát készítünk. Vagy talán olcsóbb és hordozhatóbb dolgot akarunk készíteni? Ehhez olyan molekulát tervezünk, melyet papíron csapdába ejthetünk, mint pl. a terhességi teszt. Egyre több papírteszt válik elérhetővé a papíralapú diagnosztika területén.
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.
De mire megyünk ezzel? Életemet a kutatásra tettem föl, elmondom egyik álmomat. Nem mondhatom, hogy ez ígéret: még csak álom, De előrevivő álmok mindannyiunknak kellenek, kiváltképp a rákkutatóknak.
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.
Elmondom, mit remélek, mi történik majd a technológiámmal, aminek megvalósításába csapatom és én szívünket-lelkünket beleadtuk. Rendben, ez lenne az. Az az álmom, hogy egy nap ahelyett, hogy egy drága szűrőközpontba mennénk vastagbéltükrözést, mammográfiát vagy PAP-kenetet végeztetni, kapunk egy injekciót, várunk egy órát, majd vizeletmintát adunk egy tesztcsíkra. Úgy képzelem, hogy ehhez még elektromosság vagy egészségügyi szakember sem kell. Lehetnek távol is egymástól; a kapcsolat csupán az okostelefonon lévő kép.
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.
Tudom, ez ábrándnak hangzik, de a laborban, egereken már működik, s jobban, mint a tüdő-, vastagbél- és petefészekrák felderítésére használt jelenlegi módszerek. Remélem, ez azt jelenti, hogy egykor a keletkezésétől számított 10 évnél hamarább ismerhetjük föl majd a daganatot a lakosság minden rétegében, az egész bolygón. Így korábban kezdhetnénk a kezelést, és a korai felismerés révén több életet menthetnénk meg, mint ma.
Thank you.
Köszönöm a figyelmet!
(Applause)
(Taps)