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.
Na powierzchni zajmowanej kiedyś przez jeden tranzystor teraz mieści się ich miliard. Dzięki temu komputer, który kiedyś zajmował cały pokój, mieści się teraz w kieszeni. Można powiedzieć, że przyszłość jest mała.
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.
Jako inżyniera, fascynuje mnie ta rewolucyjna miniaturyzacja komputerów. Jako fizyk, zastanawiam się, czy da się jej użyć, żeby zmniejszyć liczbę ofiar jednej z najszybciej rozwijających się chorób na świecie: raka. Kiedy to mówię, wielu ludzi myśli, że mówię o znalezieniu lekarstwa na raka. Szukamy go. Ale okazuje się, że dzięki profilaktyce i wczesnemu wykrywaniu można ocalić wiele istnień ludzkich.
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?
Ponad 2/3 śmierci spowodowanych rakiem można by było uniknąć, korzystając z metod, które znamy obecnie. Chodzi o szczepienia, badania na czas i, oczywiście, rzucenie palenia. Ale mimo że dysponujemy obecnie najlepszymi narzędziami i technologiami, niektóre nowotwory da się wykryć dopiero po 10 latach od ich pojawienia się, kiedy składają się już z 50 milionów komórek. A jeśli mielibyśmy lepsze narzędzie do wczesnego wykrywania tych nowotworów, gdy można jeszcze je usunąć, zaraz na początku ich powstawania?
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.
Pozwólcie, że powiem wam, jak miniaturyzacja może nam pomóc. To jest mikroskop z typowego laboratorium, którego używa patolog, badając wycinek tkanki podczas robienia biopsji lub cytologii. Ten mikroskop za 7 tysięcy dolarów może służyć komuś doświadczonemu w znajdywaniu komórek rakowych. A to zdjęcie mojej koleżanki z uniwersytetu Rice, Rebbeki Richards-Kortum. Wraz ze swoim zespołem zmniejszyła cały mikroskop do części wartej 10 dolarów i mieszczącej się na końcówce światłowodu. To oznacza, że teraz zamiast pobierać materiał od pacjenta i badać go pod mikroskopem, można przynieść mikroskop do pacjenta. I zamiast wymagać od specjalisty oceny, można zaprogramować komputer tak, żeby sam rozpoznawał komórki rakowe.
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.
To jest istotne. Podczas pracy jej zespołu na obszarach wiejskich okazało się, że nawet jeśli dysponują autobusem diagnostycznym, który pozwala dotrzeć do gmin, przeprowadzić badania, zebrać próbki, wysłać je do analizy do centralnego szpitala, to jakiś czas później kobiety z negatywnymi wynikami i tak są proszone o przyjazd. I ponad połowa z nich się nie pojawia, ponieważ nie stać ich na przejazd. Dzięki zintegrowanemu mikroskopowi i analizie komputerowej Rebecca i jej koledzy zaprojektowali pojazd, który daje możliwość diagnostyki i leczenia. A to znaczy, że diagnozę można zrobić od ręki i od razu rozpocząć leczenie, dzięki czemu żaden pacjent nie umknie.
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.
To tylko jeden przykład na to, jak miniaturyzacja może ocalić życie. Inżynierowie myślą o prawdziwej miniaturyzacji. O tworzeniu małej rzeczy z dużej. Ale przed chwilą mówiłam, że komputery zmieniły nasze życie, bo stały się tak małe, że można je zabrać wszędzie. Co jest odpowiednikiem takiej zmiany w medycynie? A co, jeśli istniałby czujnik tak mały, że mógłby krążyć po ciele, znaleźć zmiany nowotworowe i wysłać sygnał na zewnątrz? To brzmi trochę jak science fiction. Ale w zasadzie nanotechnologia pozwala nam na to już teraz. Nanotechnologia pozwala zmniejszyć części takiego czujnika ze 100 mikrometrów, czyli szerokości ludzkiego włosa, do 100 nanometrów, czyli tysiąc razy. A to niesie ze sobą daleko idące konsekwencje.
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.
Okazuje się, że tworzywa zmieniają swoje właściwości w nanoskali. Popularne złoto po starciu na pył, na złote nanocząstki, zmienia kolor ze złotego na czerwony. Bardziej egzotyczny materiał, taki jak selenek kadmu tworzy duże, czarne kryształy. Nanocząstki tego materiału włożone do cieczy i oświetlone światłem świecą. Świecą na niebiesko, zielono, żółto, pomarańczowo lub czerwono, w zależności od rozmiaru. To szalone! Wyobraźcie sobie taki przedmiot w świecie makro. To tak, jakby wszystkie jeansy w szafie, zrobione z tego samego materiału, miały różne kolory w zależności od rozmiaru.
(Laughter)
(Śmiech)
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.
Jako fizyka, interesuje mnie to, że nie tylko kolor różnych materiałów zmienia się w nanoskali; ich sposób przemieszczania się w ludzkim ciele też się zmienia. I to jest coś, co wykorzystamy do stworzenia lepszego detektora raka.
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.
Pokażę, o co mi chodzi. To jest naczynie krwionośne. Otacza je nowotwór. Do tego naczynia wstrzykujemy nanocząstki i obserwujemy, jak przemieszczają się z krwiobiegu do komórki rakowej. Okazuje się, że naczynia krwionośne otoczone nowotworem są dziurawe, więc nanocząsteczki mogą przedostać się z krwiobiegu do komórki rakowej. To, czy się przedostaną, zależy od ich rozmiaru. Na tej wizualizacji mniejsze, 100-nanometrowe niebieskie nanocząstki wyciekają, a większe, 500-nanometrowe czerwone nanocząstki zostają w krwiobiegu. To oznacza, że jako inżynier mam wpływ na to, czy jakiś materiał przeniknie do ciała ludzkiego, w zależności od tego, jaki nadam mu rozmiar.
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.
Ostatnio w moim laboratorium stworzyliśmy nanodetektor raka, który jest tak mały, że może podróżować po ciele w poszukiwaniu komórek rakowych. Zaprojektowaliśmy go tak, aby wsłuchiwał się w nowotworową inwazję: orkiestrę sygnałów chemicznych, którą rak uruchamia, aby rosnąć. Aby nowotwór zniszczył tkankę, w której się tworzy, musi stworzyć chemikalia zwane enzymami, żeby przegryźć się przez rusztowanie tkanki. Zaprojektowaliśmy nanocząstki, które są aktywowane przez te enzymy. Jeden enzym może aktywować tysiąc reakcji chemicznych w godzinę. W inżynierii nazywa się to amplifikacją w skali 1 do 1000, która jest charakterystyczna dla ultraczułych materiałów. Stworzyliśmy więc ultraczuły detektor raka.
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.
No dobrze, ale jak wydobyć ten sygnał na zewnątrz, gdzie mogę coś z nim zrobić? W tym celu użyliśmy jeszcze jednego elementu biologii w nanoskali, który ma związek z nerkami. Nerka to filtr. Jej praca polega na oczyszczaniu krwi z zanieczyszczeń i wydalaniu ich w moczu. Okazuje się, że to, czy nerki coś przefiltrują, też zależy od wielkości. Ta wizualizacja pokazuje, że wszystko, co jest mniejsze niż 5 nanometrów, przechodzi z krwi przez nerkę do moczu, a wszystko, co jest większe, zostaje. Czyli jeśli 100-nanometrowy detektor raka wstrzyknę do krwiobiegu, on przeniknie do komórki nowotworowej, gdzie zostanie aktywowany przez enzymy i da sygnał, na tyle mały, żeby nerki go przefiltrowały i przepuściły do moczu, w ten sposób sygnał wyjdzie na zewnątrz, gdzie będę mogła go odebrać.
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.
Ale jest jeszcze jeden problem. Ten sygnał jest naprawdę mały, jak można go wykryć? Sygnał to tylko molekuła. Te molekuły są zaprojektowane przez nas, inżynierów. Są całkowicie sztuczne i zaprojektowaliśmy je tak, żeby były kompatybilne z narzędziem, którego chcemy użyć. Jeżeli chcemy użyć naprawdę czułego narzędzia, zwanego spektrometrem mas, tworzymy molekułę o unikalnej masie. Ale czasem chcemy skorzystać z czegoś tańszego i poręcznego. Wtedy tworzymy molekuły, które możemy przechwycić na papierze, jak w teście ciążowym. Właściwie istnieje cała masa papierowych testów, które są teraz dostępne jako szybkie testy diagnostyczne.
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.
Dokąd to wszystko zmierza? Teraz zamierzam opowiedzieć o moim marzeniu zdeklarowanego naukowca. To nie jest żadna obietnica. To jest marzenie. Ale myślę, że wszyscy powinniśmy marzyć, żeby iść naprzód, nawet, a może przede wszystkim, ludzie zajmujący się badaniem nowotworów.
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.
Opowiem wam, co mam nadzieję stanie się z moją technologią, ja i mój zespół dołożymy wszelkich starań, żeby to urzeczywistnić. Do rzeczy. Marzy mi się, że pewnego dnia zamiast iść do drogiego centrum diagnostycznego na kolonoskopię, mammografię lub cytologię, będzie można dostać zastrzyk, poczekać godzinę, a potem wykonać badanie moczu papierowym testem paskowym. Wyobrażam sobie, że to się może dziać bez użycia elektryczności czy obecności lekarza. Lekarz może być bardzo daleko, obecny tylko na ekranie smartfona.
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.
Wiem, że to brzmi nieprawdopodobnie, ale w laboratorium to działa u myszy, działa nawet lepiej niż obecne metody wykrywania nowotworów płuc, okrężnicy i jajników. Mam nadzieję, że kiedyś będziemy umieli wykryć raka szybciej niż po 10 latach od momentu jego pojawienia się u pacjenta, bez względu na pozycję społeczną, w każdym zakątku na świecie, a to doprowadzi do szybszego podjęcia leczenia i ocalenia większej liczby ludzi niż teraz poprzez wczesne wykrywanie.
Thank you.
Dziękuję.
(Applause)
(Brawa)