IBM 5 in 5:Medische laboratoria "op een chip" zullen dienen als gezondheidsdetectives voor het opsporen van ziekten op nanoschaal

Een silicium wafel ontworpen om deeltjes gevonden in lichaamsvloeistoffen te sorteren met het oog op vroege detectie van ziekten.

Hoe eerder een ziekte wordt gediagnosticeerd, hoe groter de kans dat deze wordt genezen of met succes wordt beheerd. Borstkanker en prostaatkanker die in stadium één zijn ontdekt en behandeld, hebben bijvoorbeeld een overlevingspercentage van vijf jaar van bijna 100 procent. In stadium vier daalt dit percentage tot ongeveer 26 procent voor borstkanker en 28 procent voor prostaatkanker.

De uitdaging om een ​​ziekte vroeg op te sporen is dat velen van ons geen behandeling zoeken totdat we symptomen hebben, wat betekent dat de ziekte al gevorderd is. De huidige detectietechnologieën, zoals mammogrammen, zijn vaak oncomfortabel, onhandig en niet altijd nauwkeurig.

• Met AI zullen onze woorden een venster zijn op onze geestelijke gezondheid
• Hyperimaging en AI geven ons een superheldenvisie
• Macroscopen zullen ons helpen de complexiteit van de aarde tot in het oneindige te begrijpen
• Medische laboratoria "op een chip" zullen dienen als gezondheidsdetectives voor het opsporen van ziekten op nanoschaal
• Slimme sensoren detecteren milieuvervuiling met de snelheid van het licht

Ik werk al meer dan anderhalf decennium aan kankergenomica, waarin ik ongelooflijke vooruitgang heb gezien, voornamelijk dankzij de vooruitgang in de genomics-technologie. In het begin was mijn werk vooral gericht op het verwerken van enorme sets genomics-gegevens afkomstig van destijds nieuwe technologieën, zoals genexpressie-arrays en later RNA-sequencing.

Ongeveer 10 jaar geleden realiseerde ik me dat de ongelooflijke expertise en middelen in micro- en nanotechnologie die we bij IBM Research hebben, kunnen worden gebruikt om DNA-sequencing te bevorderen. Ongeveer drie jaar geleden begonnen mijn team en ik na te denken over het gebruik van nanotechnologie om diagnostische apparaten te maken die, zoals detectives die naar aanwijzingen zoeken, lichaamsvloeistoffen in een zeer vroeg stadium kunnen inspecteren op nanoscopische, ziektegerelateerde biomarkers. Dergelijke apparaten kunnen de vooruitzichten voor patiënten aanzienlijk verbeteren en een belangrijke bijdrage leveren aan de gezondheidszorg op gebieden als kanker, infectieziekten en neurodegeneratieve aandoeningen.

Na drie jaar zijn we dicht bij het realiseren van deze visie met het nanoschaal deterministische laterale verplaatsing, of nanoDLD, apparaat waar we aan werken binnen de IBM Nanobiotechnology-groep. Ons doel is dat we in de komende vijf jaar deze en andere nanotechnologie kunnen combineren met kunstmatige intelligentie om de huidige uitdagingen te overwinnen en ziekten zoals kanker in een zo vroeg mogelijk stadium op te sporen.

Wat is onze voorspelling?

Over vijf jaar zullen vorderingen in nanobiotechnologische technieken ons in staat stellen om lichaamsvloeistoffen te onderzoeken en te filteren op kleine biodeeltjes die tekenen van ziekte zoals kanker onthullen voordat we symptomen hebben, en ons onmiddellijk laten weten of we een arts moeten raadplegen.

Waarom zal dit de wereld veranderen?

Het behandelen van een ziekte als kanker is duur. Volgens de American Society of Clinical Oncology kan het meest recent goedgekeurde geneesmiddel tegen kanker gemiddeld $ 10.000 per maand kosten; sommige therapieën kunnen $ 30.000 per maand of meer kosten. Wanneer uw arts kanker in een vroeg stadium kan diagnosticeren, neemt uw kans op faillissement - en overlijden - aanzienlijk af. Door het bijna net zo gemakkelijk te maken om kanker in een vroeg stadium op te sporen als het doen van een zwangerschapstest thuis, zullen we de economie van kanker veranderen en de fysieke en emotionele tol ervan voor toekomstige generaties aanzienlijk verminderen.

Tegelijkertijd kan de visie van een medicijn dat zowel preventief als gepersonaliseerd is, alleen worden gerealiseerd wanneer technologie individuen in staat stelt om periodiek een momentopname te maken van de fysiologische, psychologische, moleculaire en cellulaire markers van hun gezondheid. Onze technologie zal een naadloze opvolging van de moleculaire en cellulaire gezondheid van een individu mogelijk maken.

Wat is de onderliggende technologie?

Verschillende bedrijven kijken naar het gebruik van biodeeltjes zoals exosomen om ziekten vroegtijdig te diagnosticeren, hoewel IBM de eerste is die de noodzakelijke schaal bereikt en de scheiding en detectie van exosomen op een chip uitvoert. Onze aanpak gebruikt de nanoDLD om een ​​vloeibaar monster door een siliciumchip te verwerken met een speciale, door IBM ontworpen asymmetrische pijlerarray. De array is de sleutel - het stelt het systeem in staat om deeltjes in het monster te sorteren en te scheiden. Kleinere deeltjes bewegen in een zigzagbeweging in de richting van de vloeistof, terwijl grotere deeltjes door de array stoten in de richting van de pilaarasymmetrie. Grote deeltjes gedragen zich als vrachtwagenchauffeurs die gedwongen worden om op een snelweg uit te wijken naar de rijbaan, terwijl kleine deeltjes zich gedragen als kleinere auto's die zonder afwijking rechtdoor rijden. Op een vergelijkbare manier maken onze pilaararrays het mogelijk om materialen van verschillende groottes te scheiden en te isoleren voor detectie of analyse. Als je het spel Plinko van the Price is Right of de Japanse versie Pachinko kent, ziet het er ongeveer zo uit.

De informatie die uit deze chips wordt gehaald, is een signaal dat kan aangeven of er sprake is van een ziekte. Dit kan worden gecombineerd met gegevens van apparaten met IoT-functionaliteit, zoals slaapmonitors en slimme horloges, en worden verwerkt door cognitieve systemen om ons een volledig beeld van onze gezondheid te geven.

Verwante documenten en patenten

PapersBenjamin H. Wunsch, Joshua T. Smith, Stacey M. Gifford, Chao Wang, Markus Brink, Robert L. Bruce, Robert H. Austin, Gustavo Stolovitzky en Yann Astier, "Nanoscale laterale verplaatsingsarrays voor de scheiding van exosomen en colloïden tot 20 nm.” Natuurnanotechnologie.

Patenten
Amerikaans patent nr. 9.012.329 – “Nanogap tussen edelmetalen”

Lees alle technologievoorspellingen van IBM voor 2016 op IBM 5 in 5.

Opslaan

Opslaan