021-22889554
021-26703715
مشاوره آموزشی رایگان

021-22889554  |  021-26703715 مشاوره آموزشی رایگان

نانو تکنولوژی جدید برای شناخت زودهنگام سرطان

Joshua Smith

New nanotech to detect cancer early

What if every home had an early-warning cancer detection system? Researcher Joshua Smith is developing a nanobiotechnology "cancer alarm" that scans for traces of disease in the form of special biomarkers called exosomes. In this forward-thinking talk, he shares his dream for how we might revolutionize cancer detection and, ultimately, save lives.


تگ های مرتبط :

Biotech, Biology, Cancer
"تو سرطان داری." متاسفانه ، حدود ۳۰ درصد از ما خواهیم شنید این کلمات را در طول زندگیمان، و نصف این افراد زنده نخواهد ماند. این بدان معناست که ۳ تا از هر ۵، دوست نزدیک شما یا خویشاوندانتان با علائمی از وجود سرطان شناسایی خواهند شد، و یکی از (آن ۲ تا) خواهد مرد. فراتر از مشکلات جسمانی، تقریبا، یک سوم از افرادی که از سرطان خلاص شده اند در ایالات متحده از (هزینه های) درمان دچار بدهی خواهد شد. و آنها کسانی هستن که شاید بیش از دو و نیم برابر افراد بدون سرطان اعلام ورشکستگی بانکی میکنند. این بیماری ها بسیار شایع هستند. از لحاظ عاطفی ناتوان کننده،
و برای بسیاری، از لحاظ مالی مخرب اما ابتلا به سرطان به معنای مردن نیست. پیداکردن سرطان در مراحل اولیه، از مرجع تشکیل آن، یکی از فاکتور های قطعی در گزینه های بهبود درمان است. کاهش دادن آثار عاطفی و کم کردن فشار های مالی، بسیار مهمه، تشخیص زودهنگام سرطان که یکی از اهداف اولیه تحقیقات من است. تا حد زیادی شانس بقا شما را افزایش می دهد. اگر ما به عنوان مثال به وضعیت سرطان پستان نگاه کنیم، ما میتوانیم بفهمیم کسانی که از همان قدم اول آن را تشخیص و درمان کرده اند،
یک نرخ زنده مانده ۵ ساله، ۱۰۰ درصدی دارند. درحالی که اگر درمان را از قدم ۴ شروع کنند این شانس به ۲۲ درصد کاهش پیدا میکند. و وضعیت مشابهی را میتوان یافت در سرطان روده بزرگ و تخمدان. حالا، ما همه آگاهیم به اینکه یک تشخیص دقیق و زودهنگام برای زنده ماندن ضروری است. مشکل اینجاست که بسیاری از ابزار های تشخیص سرطان نامطلوب هستند، پر هزینه، بعضی وقتها با خطا، و آنها زمان دردناکی را برای دادن نتیجه میخواهد. از این بدترکه، برخی از انواع سرطان ها همچون سرطان تخمدان، کبد یا پانکراس، روش های خوب، غربالگری به سادگی وجود ندارند. به این معنا که ، برخی مردم صبر میکنند تا علائم فیزیکی سطحی(پدیدار شوند)
که یعنی شاخص پیشرفت (سرطان) آنها مرحله اخر را نشان می دهد. همچون حمله طوفان به یک منطقه بدون سیستم هشدارهای اولیه، آلارمی برای آگاه سازی وجود ندارد. برای خطری که آلان در آستانه در (خانه) شماست. وقتی شانس شما برای بقا تاحد زیادی کاهش پیدا میکند. داشتن تسهیلات و دسترسی به گزینه های غربالگری منظم که آنها مقرون به هزینه، مطلوب و میتوانند نتایج را خیلی سریع تر فراهم کنند. ما را با یک سلاح قوی در مبارزه با سرطان مجهز خواهد کرد. یک هشدار زودموقع، به ما اجازه خواهد داد، بیماری ها را شکست دهیم. بجای صرفا پیروی از سختی های بی رحمش. و این دقیقا کاری است که من انجام داده ام، برای مدت پنج سال قبلی، من توسعه داده ام تکنولوزی هایی
که در نهایت میتواند یاری دهد پزشکان بالینی را با تشخیص سریع و زود هنگام سرطان. و من خودم را پر کرده ام با کنجکاوی عمیق علمی و اشتیاقی برای تغییر این آمار. با این حال سال قبل، این مبارزه تبدیل به یک موضوع خیلی شخصی نیز شد. وقتی همسرم تشخیص داده شد به سرطان پستان. این تجربه ای بود که حس قوی و غیر منتظره عاطفی اضافه کرد به این تلاش هایم من مستقیم(باتجربه) می دانم که دگرگونی زندگی چگونه میتواند با آدم رفتار کند. من کاملا از آثار مخرب احساساتی شدن آگاهم که سرطان میتواند در خانواده ویرانی به بار بیاورد، که در مورد ما شامل دو دختر جوان میشود،
چون ما آن را زودهنگام در فرآیند ماموگرافی (اسکن پستان با اشعه X) پیدا کردیم، ما توانستیم بر روی گزینه های درمان برای تومور موضعی، تمرکز اولیه بکنیم، تاکید دوباره به (حرف)خودم، "که چقدر تشخیص اولیه مهم است." برخلاف انواع سرطان های دیگر، ماموگرافی، راهکاری برای غربالگری زودهنگام سرطان پستان ارائه میدهد. هنوز هم ،همه افراد این کار(اسکن زود هنگام) را نمی کنند. که ممکن است سرطان پستان توسعه پیدا می کند قبل از مراحل طی شدن متوسط زمان توصیه شده برای انجام اسکن اشعه ایکس بنابراین هنوز امیدی برای بهبودی وجود دارد، حتی برای سرطان که گزینه های غربالگری را داریم، و،البته، امتیازات قابل توجهی برای آن که نمیکنند.
چالش کلیدی بعد برای محققان سرطان ایجاد کردن روشی هایی است که بتوانند برای انواع سرطان ها غربالگری های معین داشته باشد و بسیار در دسترس باشد. تصور کنید یک حالتی که را در طول معاینه های منظم دکتر شما میتواند نمونه ایی بگیرد، تست ادار راحت (بدون نیاز به جراحی یا ...) یا دیگر آزمایش های مایع (بدن) و ارائه میدهد به شما نتیجه آزمایش را حتی قبل از ترک مطب. چنین تکنولوژی میتواند به طور چشمگیری کاهش دهد تعداد افرادی را که بخاطر از دست دادن قسمت عمده زمان تشخیص اولیه، دچار اشتباه میشود. تیم تحقیقاتی من متشکل از مهندسان و بیوشیمی دان ها دقیقا بر روی این مشکل کار می کنند.
ما بر روی راه هایی برای فعال کردن مداوم هشدار وجود سرطان زودهنگام کار می کنیم. با فعال سازی غربالگری های منظم، که از زمانی شروع خواهد شد که فرد در سلامتی است زمانی که عملیات خواهد توانست سرطان را متوقف کند(وقتی که علائم سرطان) نمایان شوند قبل از اینکه بتواند پیشرفت کند، در دوران اولیه اش. حفره های نقره ای (در بافت سرطانی) در این حالت کیسه های کوچکی اند. گرده های فراری (از بافت سرطانی)به طور منظم از سلول هایی به اسم اگزوزوم بیرون میریزند. اگزوزوم ها نشانگر های زیستی مهمی اند آنها سیستم هشدار اولیه را برای (هشدار)توسعه سرطان فراهم میکنند. و از انجاکه انها آزادانه در تقریبا هر جای مایعی بدن حاضر هستند، شامل خون، ادرار، بزاق آنها بسیار مورد نظر برای تست های مایعی (بدون نیاز به جراحی کردن) هستند.
فقط یک مشکلی هست. یک سیستم خودکاری که فوراً آن نشانگرهای زیستی را (از مواد دیگر) جدا کند. که فعلا در دسترس نیست. ما تکنولوژی را ساخته ایم که ما آن را nano-DLD می نامیم. که قابلیت دقیق این را دارد که: جداسازی خودکار اگزوزوم ها برای دستیابی به تشخیص سریعِ سرطان. اگر ما بتوانیم، اگزوزوم ها جدیدترین سلاح هشدار زودهنگام هستند، تا آزمایش های خونی را جلو بیاندازد. و آنها واقعا ، واقعا کوچک اند. قطر آن ها فقط در حد ۳۰ تا ۱۵۰ نانومتر اندازه گیری میشود. این (اندازه) بسیار کوچک است. شما میتوانید میلیون ها عدد از آنها را درون یک گلبول قرمز واحد جای دهید.
(اختلاف آن دو) تقریبا مثل اختلاف توپ گلف و دانه خیلی کوچکی از ماسه است. تصور میشود که (اگزوزوم ها) به سطل زباله- هایی برای دفع مواد زائد سلولی می مانند، یافته شده است که سلول ها عملا ارتباط برقرار میکنند با تولید کردن و جذب کردن آن اگزوزوم ها که حاوی گیرنده های سطحی هستند، پروتئین و مواد ژنتیکی دیگر از سلول مبدا شان دریافت میشود وقتی جذب می شوند توسط سلول همسایه، اگزوزوم ها محتویات خود را درون سلول مقصد منتشر میکنند. و میتوانند شروع کنند در فرمول (بیان)ژن ها تغییرات بنیادی به وجود آورند برخی (تغییرات) خوب و این جایی است که سرطان شروع می شود،
برخی (تغییرات) بد چون آنها توسط موادی از سلول مادرشان پوششیده شدند، و حاوی نمونه ایی از محیط آن جا هستند، آنها یک عکس فوری ژنتیکی از سلامتی و مبدا سلولشان با خود همراه دارند. تمامی آن خصوصیات ، اگزوزوم ها را به پیام رسانانی فوق العاده گرانبها تبدیل می کند. که بالقوه به فیزیک دانان اجازه میدهد تا سلامتی شما را از سطح سلولی بفهمند. (احتمالا غیر مستقیم) برای مهار زودتر سرطان، هرچند، شما باید مکراراً جلوی آن پیام رسان ها را بگیرید تا مشخص کنید که چه زمانی عوامل اختلالگر سرطانی در بدن شما تصمیم به شروع به اجرا درآوردن (عملیات) کودتا می کنند، این جوابیست بر اینکه چرا غربالگری منظم ، بسیار ضروری است.
و اینکه چرا ما تکنولوژی را برای امکان پذیر کردن این ها توسعه می دهیم. هنگامی که اولین تشخیص گرهای برپایه اگزوزوم امسال در بازار عرضه شد، هنوز خبری از گزینه های اصلی مراقبت های بهداشتی نبود. علاوه بر این ظهور(انقلاب) اخیرشان، فاکتور دیگری که استفاده گسترده آنها را محدود می کند این است که هنوز، هیچ سیستم خودکار جداسازی اگزوزوم برای دردسترس بودن غربالگری های منظم اقتصادی ، وجود ندارد. استاندارد طلایی فعلی برای جداسازی اگزوزوم ها شامل اولتراسانتریفیوژ (ultracentrifugation) است، فرآیندی که نیاز یه تجهیزات آزمایشگاهی گران قیمتی دارد، و یک تکنسین آموزش دیده، و حدود۳۰ ساعت زمان برای عمل آوری یک نمونه.
ما با رویکرد های مختلفی برای دستیابی به جدا سازی خودکار اگزوزوم از یک نمونه همچون ادرار، روبرو هستیم. ما از یک تکنیک جداسازی جریان ادامه دار مبتنی بر تراشه استفاده میکنیم نامیده میشود "جابجایی قطعی افقی"، (deterministic lateral displacement) . ما با آن انجام می دهیم کاری را که در ۵۰ سال گذشته بسیار با موفقیت صنایع نیمه هادی انجام داده اند. ما ابعاد این تکنولوژی را کوچکتر کرده ایم از مقیاس میکرو درست به مقیاس نانو. چگونه کار می کند؟ در یک کلام، یک مجموعه ایی از ستون ها که با فاصله های خالی در حد مقیاس نانو به طریقی منظم شده اند
که این سیستم مایع (آزمایش) را به جریان هایی تقسیم میکند، با نانو ذرات بزرگتر مربوط به سرطان، که جداسازی میشوند از طریق یک فرآیند جهت دهی مجدد، از ذرات کوچکتر، سالم ترشان که در تضاد هستند با آنهایی که در میان ستون ها حرکت میکنند، حرکتی زیگزال مانند در جهت جریان مایع نتیجه عمده، جداسازی کامل جمعیت این دو ذرات است شما میتوانید این فرآیند جداسازی را تجسم کنید شبیه ترافیک (ماشین ها) که در بزرگراه ها به دو جاده تقسیم میشوند که یکی از داخل تونلی با فاصله کم از کوه رد می شود، و جاده دیگری آن را دور می زند. در این شکل، ماشین های کوچک می توانند از داخل تونل عبور کنند
هنگامی که کامپیون های بزرگ مواد با خطر بالقوه حمل میکنند، مجبوربه عبور از مسیر انحرافی می شوند. ترافیک به طور موثر جدا شد بر حسب سایز و محتویات بدون اینکه مانعی برای جریان باشد و این دقیقا توضیحی است که سیستم ما چگونه در مقیاس بسیار بسیار کوچکتر کار میکند. ایده ایی که مطرح شد فرآیند جداسازی برای غربالگری میتواند فرآیند ساده برای ادرار، خون ، بزاق باشد که در مدت کوتاهی در چند سال آینده امکان پذیر خواهد بود. در نهایت، این(تکنولوژی) میتواند برای جداسازی و تشخیص اگزوزوم هایی استفاده شود متناظر با انواع سرطان های مشخص، (که میتواند) حضور آنها را حس کرده و ظرف یک دقیقه گزارش دهد. این امر باعث امکانپذیری تشخیص سریع بدون درد خواهد شد.
به طور کلی ، توانایی جداسازی و غنی کردن این نشانگر های زیستی با دقت نانو مقیاس در بصورت خودکار، درها را برای فهمیدن بهتر بیماری هایی مثل سرطان باز می کند، با رویه هایی مرتب شده از آماده سازی نمونه تا تشخیص از مانیتورینگ مقاومت داروها تا درمانشناسی. حتی قبل از (این جلسه) همسرم با سرطان کشمکش میکرد این آرزویی برایم است که این فرآیند خودکار را آسانتر کنم برای انجام غربالگری های در دسترس تر، مشابه همان کاری که هنری فورد اوتومبیل را در دسترس تر کرد برای عموم مردم از طریق توسعه خط مونتاژ. خودکاری کلید در دسترس بودن است.
و قسمت اصلی رویای هوور : (سی و یکمین امین رئیس جمهور آمریکا) " مرغی در هر دیگی و ماشینی در هر گاراژی." ما توسعه دادیم یک تکنولوژی که میتواند نهایتاً جای دهد یک سیستم هشدار سریع تشخیص سرطان را در هر خانه ایی. این میتواند به هر زن و مرد و بچه ایی اعطا کند فرصت به طور معین تست کردن حتی هنگامی که هنوز سالم اند. گرفتن (آثار) بیماری در هنگام اولین پدیداری ها. این امید و آرزویم است کمک کنم به مردم برای جلوگیری از هزینه های زیاد جسمانی، مالی و عاطفی که بیماران سرطانی امروزی با آن مواجه اند، (و) سختی هایی که من به خوبی از آنان آگاهم.
من بسیار خوشحالم که خبر بدم،بخاطر اینکه ما زود (جلوی) سرطان همسرم را رو گرفتیم، درمان او موفقیت آمیز بود، و او خوشبختانه، الان از سرطان پاک است. (تشویق حضار) این نتیجه ایی است که من میخواهم برای هرکسی که علائمی از سرطان دارد ببینم با کاری که تیم من به پایان رساند در جدا سازی نشانگر های نانو مقیاس برای تشخیص سریع و زود هنگام سرطان من خوش بینم در دهه های بعدی این قبیل تکنولوژی در دسترس خواهد بود. (برای) حفاظت دوستانمان، خانواده مان و نسل های آینده. حتی اگر ما خیلی بدشانس باشیم در تشخیص سرطان آن هشدار زود هنگام برای ما فراهم خواهد کرد نوری از امیدواری
متشکرم. (تشویق حضار)
"You have cancer." Sadly, about 40 percent of us will hear those three words within our lifetime, and half will not survive. This means that two out of five of your closest friends and relatives will be diagnosed with some form of cancer, and one will die. Beyond the physical hardships, roughly one-third of cancer survivors here in the US will go into debt from treatment. And they're at least two and a half times more likely to declare bankruptcy than those without cancer. This disease is pervasive. It's emotionally draining
and, for many, financially destructive. But a cancer diagnosis doesn't have to be a death sentence. Finding cancer early, closer its genesis, is one of the critical factors to improving treatment options, reducing its emotional impact and minimizing financial burdens. Most importantly, finding cancer early -- which is one of the primary aims of my research -- greatly enhances your odds of survival. If we just look at the case of breast cancer for example, we find that those who are diagnosed and treated at stage one
have a five-year survival rate of nearly 100 percent -- odds that decrease to just 22 percent if treated at stage four. And similar trends are found for colorectal and ovarian cancer. Now, we're all aware that an early diagnosis that is accurate is critical for survival. The problem is that many cancer diagnostic tools are invasive, costly, often inaccurate and they can take an agonizing amount of time to get the results back. Still worse, when it comes to some forms of cancer, such as ovarian, liver or pancreatic cancer, good screening methods simply don't exist,
meaning that often people wait until physical symptoms surface, which are themselves already indicators of late-stage progression. Like a tornado strike in an area without an early warning system, there is no alarm to warn, for the danger is already at your doorstep when your odds of survival are greatly reduced. Having the convenience and accessibility of regular screening options that are affordable, noninvasive and could provide results much sooner, would provide us with a formidable weapon in the fight against cancer. An early warning would allow us to get out ahead of the disease instead of merely following in its relentless wake.
And this is exactly what I've been doing. For the past three years, I've been developing technologies that could ultimately aid clinicians with rapid, early-stage cancer diagnostics. And I've been fueled by a deep scientific curiosity, and a passion to change these statistics. Last year however, this fight became much more personal when my wife was diagnosed with breast cancer. It was an experience that added a strong and unexpected emotional dimension to these efforts. I know firsthand how life-altering treatment can be,
and I'm keenly aware of the emotional havoc that cancer can wreak on a family, which in our case included our two young daughters. Because we found it early during a routine mammogram, we were able to focus primarily on treatment options for the localized tumor, reaffirming to me how important an early diagnosis is. Unlike other forms of cancer, mammograms do offer an early-stage screening option for breast cancer. Still, not everyone has this done, or they may develop breast cancer before the middle age recommendation for having a mammogram.
So, there's still a lot of room for improvement, even for cancers that do have screening options, and, of course, considerable benefits for those that don't. A key challenge then for cancer researchers is to develop methods that make regular screening for many types of cancers much more accessible. Imagine a scenario where during your regular checkup, your doctor can take a simple, noninvasive urine sample, or other liquid biopsy, and present you with the results before you even leave the doctor's office. Such a technology could dramatically reduce the number of people
who slip through the net of an early-stage cancer diagnosis. My research team of engineers and biochemists is working on exactly this challenge. We're working on ways to frequently activate an early-stage cancer alarm by enabling regular screenings that would start when a person is healthy so that action could be taken to stop cancer the moment it emerges, and before it can progress beyond its infancy. The silver bullet in this case are tiny vesicles, little escape pods regularly shed by cells called exosomes. Exosomes are important biomarkers that provide an early-warning system for the development of cancer.
And because they're abundantly present in just about every bodily fluid, including blood, urine and saliva, they're extremely attractive for noninvasive liquid biopsies. There's just one problem. An automated system for rapidly sorting these important biomarkers is not currently available. We've created a technology that we call nano-DLD that is capable of precisely this: automated exosome isolation to aid rapid cancer diagnostics. Exosomes are the newest early-warning weapon, if you will, to emerge on the liquid biopsy front.
And they're really, really small. They measure just 30 to 150 nanometers in diameter. This is so tiny that you could fit about a million of them into a single red blood cell. That's roughly the difference between a golf ball and a fine grain piece of sand. Once thought to be little bins for unwanted cellular waste, it has been found that cells actually communicate by producing and absorbing these exosomes which contain surface receptors, proteins and other genetic material collected from their cell of origin. When absorbed by a neighboring cell,
exosomes release their contents into the receiving cell, and can set in motion fundamental changes in gene expression -- some good, and this is where cancer comes in, some bad. Because they are clothed in the material of the mother cell, and contain a sample of its environment, they provide a genetic snapshot of that cell's health and its origin. All of these qualities make exosomes invaluable messengers that potentially allow physicians to eavesdrop on your health at the cellular level. To catch cancer early, however,
you have to frequently intercept these messages to determine when cancer-causing troublemakers within your body decide to start staging a coup, which is why regular screening is so critical and why we're developing technologies to make this possible. While the first exosome-based diagnostics emerged on the market just this year, they are not yet part of mainstream healthcare options. In addition to their recent emergence, another factor that's limiting their widespread adoption is that currently, no automated exosome isolation system exists to make regular screening economically accessible.
The current gold standard for exosome isolation includes ultracentrifugation, a process requiring expensive laboratory equipment, a trained lab tech and about 30 hours of time to process a sample. We've come up with a different approach for achieving automated exosome isolation from a sample such as urine. We use a chip-based, continuous flow separation technique called deterministic lateral displacement. And we have done with it what the semiconductor industry has done so successfully for the past 50 years. We shrunk the dimensions of this technology
from the micron scale to the true nanoscale. So how does it work? In a nutshell, a set of tiny pillars separated by nanoscopic gaps are arranged in such a way that the system divides the fluid into streamlines, with the larger cancer-related nanoparticles being separated through a process of redirection from the smaller, healthier ones, which can in contrast move around the pillars in a zigzag-type motion in the direction of fluid flow. The net result is a complete separation of these two particle populations. You can visualize this separation process
similar to traffic on a highway that separates into two roads, with one road going into a low-clearance tunnel under a mountain, and the other road going around it. Here, smaller cars can go through the tunnel while larger trucks, carrying potentially hazardous material, are forced to take the detour route. Traffic is effectively separated by size and contents without impeding its flow. And this is exactly how our system works on a much, much smaller scale. The idea here is that the separation process for screening could be as simple as processing a sample of urine, blood or saliva, which is a near-term possibility within the next few years.
Ultimately, it could be used to isolate and detect target exosomes associated with a particular type of cancer, sensing and reporting their presence within minutes. This would make rapid diagnostics virtually painless. Broadly speaking, the ability to separate and enrich biomarkers with nanoscale precision in an automated way, opens the door to better understanding diseases such as cancer, with applications ranging from sample preparation to diagnostics, and from drug resistance monitoring to therapeutics. Even before my wife's bout with cancer, it was a dream of mine to facilitate the automation of this process --
to make regular screening more accessible, similar to the way Henry Ford made the automobile accessible to the general population through development of the assembly line. Automation is the key to accessibility. And in the spirit of the Hoover dream, "a chicken in every pot and a car in every garage," we're developing a technology that could ultimately place an early-warning cancer detection system in every home. This would allow every man, woman and child the opportunity to be regularly tested while they're still healthy,
catching cancer when it first emerges. It is my hope and dream to help people around the world avoid the high costs -- physical, financial and emotional -- faced by today's cancer patients, hardships that I'm well acquainted with. I'm also happy to report that because we caught my wife's cancer early, her treatment was successful, and she is now, thankfully, cancer-free. (Applause) It is an outcome that I would like to see for everyone with a cancer diagnosis. With the work that my team has already done on separation of nanoscale biomarkers
for rapid, early-stage cancer diagnostics, I am optimistic that within the next decade, this type of technology will be available, helping protect our friends, our family and future generations. Even if we are so unlucky as to be diagnosed with cancer, that early-stage alarm will provide a strong beacon of hope. Thank you. (Applause)