IBM 5 in 5:Medizinische Labore „auf einem Chip“ werden als Gesundheitsdetektive dienen, um Krankheiten im Nanomaßstab aufzuspüren

Ein Silikon Wafer zum Sortieren von Partikeln in Körperflüssigkeiten zum Zwecke der Früherkennung von Krankheiten.

Je früher eine Krankheit diagnostiziert wird, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie geheilt oder erfolgreich behandelt wird. Zum Beispiel haben Brustkrebs und Prostatakrebs, der im ersten Stadium erkannt und behandelt wird, eine Fünfjahres-Überlebensrate von fast 100 Prozent. Im vierten Stadium sinkt diese Rate bei Brustkrebs auf etwa 26 % und bei Prostatakrebs auf 28 %.

Die Herausforderung bei der Früherkennung einer Krankheit besteht darin, dass sich viele von uns erst dann behandeln lassen, wenn sie Symptome haben, was bedeutet, dass die Krankheit bereits fortgeschritten ist. Die heutigen Erkennungstechnologien wie Mammographien sind oft unbequem, unbequem und nicht immer genau.

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• Medizinische Labore „auf einem Chip“ werden als Gesundheitsdetektive dienen, um Krankheiten im Nanomaßstab aufzuspüren
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Ich arbeite seit über anderthalb Jahrzehnten an der Krebsgenomik und habe dabei unglaubliche Fortschritte gesehen, die hauptsächlich auf Fortschritte in der Genomiktechnologie zurückzuführen sind. Am Anfang konzentrierte sich meine Arbeit hauptsächlich auf die Verarbeitung riesiger Genomdatensätze, die aus damals neuen Technologien wie Genexpressionsarrays und später der RNA-Sequenzierung stammten.

Vor etwa 10 Jahren erkannte ich, dass die unglaubliche Expertise und die Ressourcen, die wir bei IBM Research in der Mikro- und Nanotechnologie haben, dazu genutzt werden könnten, die DNA-Sequenzierung voranzutreiben. Vor etwa drei Jahren begannen mein Team und ich darüber nachzudenken, wie man mithilfe von Nanotechnologie Diagnosegeräte entwickeln könnte, die wie Detektive auf der Suche nach Hinweisen Körperflüssigkeiten in einem sehr frühen Stadium auf nanoskopische, krankheitsbezogene Biomarker untersuchen könnten. Solche Geräte könnten die Aussichten für Patienten erheblich verbessern und einen wichtigen Beitrag zur Gesundheitsversorgung in Bereichen wie Krebs, Infektionskrankheiten und neurodegenerativen Erkrankungen leisten.

Nach drei Jahren stehen wir kurz vor der Verwirklichung dieser Vision mit dem nanoskaligen deterministischen Lateral Displacement (nanoDLD), an dem wir innerhalb der IBM Nanobiotechnology Group arbeiten. Unser Ziel ist es, dass wir in den nächsten fünf Jahren diese und andere Nanotechnologie mit künstlicher Intelligenz kombinieren können, um aktuelle Herausforderungen zu meistern und Krankheiten wie Krebs so früh wie möglich zu erkennen.

Wie lautet unsere Vorhersage?

In fünf Jahren werden es uns Fortschritte in der Nanobiotechnologie ermöglichen, Körperflüssigkeiten auf winzige Biopartikel zu untersuchen und zu filtern, die Anzeichen von Krankheiten wie Krebs erkennen lassen, bevor wir irgendwelche Symptome haben, und uns sofort informieren, wenn wir einen Arzt aufsuchen sollten.

Warum wird dies die Welt verändern?

Die Behandlung einer Krankheit wie Krebs ist teuer. Laut der American Society of Clinical Oncology kann das zuletzt zugelassene Krebsmedikament durchschnittlich 10.000 US-Dollar pro Monat kosten; einige Therapien können monatlich 30.000 US-Dollar oder mehr kosten. Wenn Ihr Arzt Krebs in einem frühen Stadium diagnostizieren kann, sinken Ihre Chancen auf Bankrott – und Tod – erheblich. Indem wir es fast so einfach machen, Krebs im Frühstadium zu erkennen wie einen Schwangerschaftstest zu Hause, werden wir die Ökonomie von Krebs verändern und seinen physischen und emotionalen Tribut für zukünftige Generationen erheblich verringern.

Gleichzeitig kann die Vision einer präventiven und personalisierten Medizin nur dann verwirklicht werden, wenn die Technologie es dem Einzelnen ermöglicht, periodische Momentaufnahmen der physiologischen, psychologischen, molekularen und zellulären Marker seiner Gesundheit zu erhalten. Unsere Technologie ermöglicht eine nahtlose Verfolgung der molekularen und zellulären Gesundheit einer Person.

Was ist die zugrunde liegende Technologie?

Mehrere Unternehmen prüfen die Verwendung von Biopartikeln wie Exosomen zur Früherkennung von Krankheiten, obwohl IBM als erstes Unternehmen das erforderliche Maß erreicht und Exosomen auf einem Chip separiert und detektiert. Unser Ansatz verwendet die nanoDLD, um eine flüssige Probe durch einen Siliziumchip mit einem speziellen, von IBM entwickelten asymmetrischen Säulenarray zu verarbeiten. Das Array ist der Schlüssel – es ermöglicht dem System, Partikel in der Probe zu sortieren und zu trennen. Kleinere Partikel bewegen sich in einer Zick-Zack-Bewegung in Richtung der Flüssigkeit, während größere Partikel entlang der Richtung der Säulenasymmetrie durch das Array stoßen. Große Partikel verhalten sich wie Lkw-Fahrer, die gezwungen sind, auf einer Autobahn auf die Lkw-Spur abzubiegen, während sich kleine Partikel wie kleinere Autos verhalten, die ohne Umlenkung geradeaus fahren. Auf ähnliche Weise ermöglichen unsere Pillar-Arrays das Trennen und Isolieren von Materialien unterschiedlicher Größe zum Nachweis oder zur Analyse. Kennt ihr das Spiel Plinko aus Price is Right oder die japanische Version Pachinko, sieht es ungefähr so ​​aus.

Die aus diesen Chips extrahierten Informationen sind ein Signal, das anzeigen kann, ob eine Krankheit vorliegt oder nicht. Dies kann mit Daten von IoT-fähigen Geräten wie Schlafmonitoren und Smartwatches kombiniert und von kognitiven Systemen verarbeitet werden, um uns einen vollständigen Überblick über unsere Gesundheit zu geben.

Ähnliche Dokumente und Patente

Referate
Benjamin H. Wunsch, Joshua T. Smith, Stacey M. Gifford, Chao Wang, Markus Brink, Robert L. Bruce, Robert H. Austin, Gustavo Stolovitzky und Yann Astier, „Nanoscale Lateral Displacement Arrays for the Separation von Exosomen und Kolloiden bis hinunter zu 20 nm.“ Natur-Nanotechnologie.

Patente
US-Patent Nr. 9.012.329 – „Nanogap zwischen Edelmetallen“

Lesen Sie alle Technologievorhersagen von IBM für 2016 bei IBM 5 in 5.

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