Anonim

Eric J. Topol, MD : Hallo. Ich bin Eric Topol, Chefredakteur von Medscape. Es ist eine wahre Freude, John Rogers von der Northwestern University in Evanston, Illinois, begrüßen zu dürfen. John ist wahrscheinlich der Weltmarktführer bei der Entwicklung kreativer Sensoren, die mit dem menschlichen Körper interagieren. Willkommen, John.

John A. Rogers, PhD : Es ist eine Freude, hier zu sein.

Dr. Topol : Sie waren an der University of Texas in Austin und dann am Massachusetts Institute of Technology (MIT), richtig?

Dr. Rogers : Ja. Ich war 6 Jahre am MIT. Ich habe einen Master in Physik und Chemie und dann einen Doktortitel in physikalischer Chemie. Danach bekam ich ein Junior-Stipendium an der Harvard University Society of Fellows, das wie ein Super-Post-Doc war, eine 3-jährige Position. Der Appell war, dass es ein Gehalt und ein Stipendium gab und man sozusagen tun konnte, was man wollte.

Am Ende verbrachte ich meine Zeit zwischen der Arbeit im Harvard-Labor von George Whitesides, einem berühmten Materialchemiker und Unternehmer, und der anderen Hälfte verbrachte ich mit einem Start-up-Unternehmen, das wir aufgrund meiner Doktorarbeit aus dem MIT heraus gegründet hatten. Das war eine sehr lustige Zeit von 1995 bis 1997.

Dr. Topol : Dann sind Sie zu Bell Labs gegangen?

Dr. Rogers : Ja. Ich habe für eine Reihe von Positionen interviewt, aber ich war immer von der Schnittstelle zwischen Wissenschaft und Technologie angezogen. Bell Labs war damals wie die New York Yankees der Wissenschaft, mit Schwerpunkt auf Materialien, Technologie, Lasern und integrierten Schaltkreisen. Ich habe dort 5 großartige Jahre verbracht, in denen ich meine Fachgebiete wirklich erweitern konnte.

Diese "Bell Labs-ian" -Mentalität ist mir wirklich geblieben und hat meine Forschung geprägt. Nach Bell Labs ging ich zur Universität von Illinois in Urbana.

"Epidermale Elektronik": Dünne Hautsensoren

Dr. Topol : Ich habe zum ersten Mal von Ihnen in einem Artikel in Science [1] aus dem Jahr 2011 über "Hautchips" erfahren, den Sie als Pionier entwickelt haben. Erzähl uns etwas darüber.

Image

Dr. Rogers : Das war ein wirklich wichtiges Papier für uns. Meine Kernkompetenz liegt in elektronischen Materialien. Die meisten Menschen, die akademische Forschung im Bereich elektronischer Materialien betreiben, denken über eine Zukunft der Elektronik nach, die vom Mooreschen Gesetz bestimmt wird.

Transistoren werden immer kleiner; Mikroprozessoren haben immer mehr Transistoren pro Flächeneinheit bei immer höheren Taktraten, wobei ihr Betrieb immer ausgefeilter wird. Das ist ein wirklich überzeugender Bereich für die Forschung, denn um eine Fortsetzung des Mooreschen Gesetzes zu ermöglichen, sind viele wissenschaftliche Entdeckungen und neue akademische Einblicke in Materialien in diesen Maßstäben erforderlich.

Wir haben uns für eine andere Zukunft der Elektronik interessiert, die nicht so sehr von den kritischen Dimensionen der Transistoren bestimmt wird, sondern die Elektronik als mögliche Schnittstelle zum menschlichen Körper betrachtet. Hier müssen Sie die Biokompatibilität von Materialien und, was vielleicht noch wichtiger ist, physikalische Eigenschaften berücksichtigen, die eine enge Integration der Schaltungstechnologie mit den weich strukturierten, zeitdynamischen Oberflächen ermöglichen, die Sie in der Biologie finden. Es unterscheidet sich erheblich von allem, was jemals in kommerziellen Formen integrierter Schaltkreise vorhanden war, die alle in den starren ebenen Oberflächen von Halbleiterwafern eingebaut wurden.

Dieses Papier war die erste Demonstration aller Schlüsselideen rund um die Materialwissenschaft, der Konstruktionen der Mechanik, der Gerätearchitekturen und der Überlegungen auf Systemebene, die es uns ermöglichten, hautähnliche Formen der Elektronik zu erstellen.

Einige Neurowissenschaftler fragten: "Haben Sie jemals darüber nachgedacht, diese Dinge ins Gehirn zu bringen?"

Dr. Topol : Ich erinnere mich an die Bilder aus dem Wissenschaftspapier mit diesen kleinen Hautspänen auf der Stirn für ein Elektroenzephalogramm und auf der Brust für ein Kardiogramm und dachte, dass dies umwerfend war.

Was ich nicht verstehe, ist, wie Sie von diesem technischen Hintergrund mit Chemie und Physik zu dem Wunsch übergegangen sind, mit dem Körper umzugehen und Chips damit zu verschmelzen.

Dr. Rogers : Es ist eine interessante Geschichte. Wir sind in diesen gesamten Bereich der flexiblen Elektronik eingestiegen, als ich wieder bei Bell Laboratories war, wo wir neue Klassen von Halbleitermaterialien entwickelten. Die Idee war, dass Sie, wenn Sie integrierte Schaltkreise auf Kunststoffplatten erstellen könnten, möglicherweise neue Klassen von Consumer-Gadgets erstellen könnten. Insbesondere waren wir an papierähnlichen flexiblen Displays interessiert.

Ich hielt an der University of Pennsylvania einen Vortrag in Elektrotechnik zu diesem Thema und einige Neurowissenschaftler kamen danach auf mich zu. Sie sagten: "Hey, diese sind cool für großflächige lenkbare Antennen für das Militär oder flexible Displays für Verbraucheranwendungen, aber haben Sie jemals darüber nachgedacht, diese Dinge auf das Gehirn zu bringen? Das wäre wirklich interessant, weil Sie elektrische Aktivität abbilden könnten auf das Gehirn. "

Ich hatte bis zu diesem Zeitpunkt nie wirklich über diese Bio-Schnittstelle nachgedacht, und es schien mir eine große Chance zu sein. Auf dieser Basis haben wir eine Zusammenarbeit begonnen. Wir haben auch mit Kardiologen der University of Pennsylvania Medical School interagiert. Das Verständnis von Epilepsie stellte sich ebenfalls als Schwerpunkt heraus, da diese Blätter als Diagnoseplattformen verwendet wurden.

Dies war eine Richtung, die ich verfolgen wollte, aber wie Sie wissen, haben letztendlich die Studenten einen großen Einfluss auf Ihre Forschung. Und das war eine so überzeugende Idee für sie. Sie sahen einen viel größeren und höheren Zweck darin, an Technologien zu arbeiten, die sich positiv auf die menschliche Gesundheit auswirken könnten, als Technologien, die für ein neues Gerät der Unterhaltungselektronik verwendet werden könnten. Es waren also diese beiden Dinge, die zusammen kamen.

Dr. Topol : Die Dinge, die Sie zuvor entwickelt haben, waren bereits umwerfend, aber seitdem haben Sie das Snapchat der Chips im Körper entwickelt.

Dr. Rogers : Ich habe noch nie gehört, dass es so bezeichnet wird! (lacht) Das ist ziemlich gut!

Dr. Topol : Es zerfällt, löst sich auf und zerstört sich selbst. Es ist unglaublich! Dann hatten Sie all diese anderen Ideen, um diese Chips im Gehirn und im Herzen zu verwenden, Katheter mit Chips, um auf Dinge wie Flüssigkeitszufuhr oder Blutdruck zu testen. Gibt es etwas, das Sie mit diesen Chips nicht messen können?

Dr. Rogers : Das ist eine gute Frage. Die meisten Sensoren, auf die wir uns bis zu diesem Punkt konzentriert haben, haben Messungen der physikalischen Eigenschaften wie Dehnungen, Spannungen, elektrisches Potential, Temperatur und ähnliches wirklich hervorgehoben. Ich denke, die Grenze liegt eher in biochemischen als in biophysikalischen Messungen.

Schweiß: Der 'Heilige Gral'

Dr. Topol : Sie haben einen Artikel in Science Translational Medicine [2] veröffentlicht, in dem dieses sehr coole Design für einen Schweißsensor vorgestellt wurde, der Laktat und Elektrolyte messen kann. Das war natürlich auch ein Wahnsinn, aber wohin kann das gehen? Müssen Sie wirklich schwitzen oder können Sie das einfach richtig auf die Haut bringen?

Dr. Rogers : Im Moment erfassen wir nur Schweiß, der in physischer flüssiger Form aus der Haut austritt. Die exkrinen Drüsen wirken als Pumpen, um diesen Schweiß in diese mikrofluidischen Analysenetzwerke zu drücken. Wir können viel damit anfangen, wenn wir nur noch Mikroliter Schweiß haben. Wir können es umleiten und alle Arten von Analysen durchführen.

Aber wie Sie wissen, schwitzt Ihr Körper ständig ohne genügend Flüssigkeitsvolumen, um genau definierte Tröpfchen zu bilden, und das verdunstet fast sofort. Wir glauben, dass es eine großartige Gelegenheit für neue Gerätedesigns und Materialien gibt, die diesen unempfindlichen Schweiß auffangen können. Sie müssen also nicht körperlich trainieren, um diese Art von Bio-Flüssigkeit aufzufangen. Das ist ein Bereich der laufenden Forschung für uns und es ist verlockend.

Dr. Topol: Glauben Sie, dass Sie dazu in der Lage sind?

Dr. Rogers: Es scheint möglich zu sein. Wenn Sie Ihre Haut unter einem Mikroskop betrachten, können Sie feststellen, dass Ihre Schweißdrüsen ständig feuern. Dort ist Flüssigkeit, die jedoch sofort verdunstet. Im Moment können wir den mit unempfindlichem Schweiß verbundenen Wasserdampf auffangen und in unseren Geräten kondensieren. Wir dachten also, wir hätten das Problem gelöst, aber leider hinterlässt der Verdampfungsprozess alle Biomarker.

Dr. Topol : Wenn Sie das können, wird es wie der Heilige Gral sein, da all diese Dinge so gut mit dem korrelieren, was im Blut ist. Das wird eine große Sache sein.

Wir können die Herzauskultation messen, die heute auf der Intensivstation nicht durchgeführt wird. Wir können auch Pulsankunftszeiten messen und kontinuierliche Blutdruckmessungen erhalten.

Sie sind gerade vor einem Jahr an die Northwestern University gezogen, und ich habe erst heute erfahren, dass Sie diese Chips genommen haben, die nicht mehr nur faszinierende Durchbrüche sind, sondern jetzt bei Säuglingen, Kindern und auf Intensivstationen. Erzähl uns davon.

Dr. Rogers : Das war eine der Hauptmotive für den Umzug von der University of Illinois, wo ich 13 sehr produktive Jahre mit großartigen Kollegen verbracht habe. Es gibt jedoch keine medizinische Fakultät in Urbana.

Wir hatten ziemlich gut mit medizinischen Fakultäten an verschiedenen Universitäten in St. Louis zusammengearbeitet, unsere Arbeit mit der medizinischen Fakultät der Universität von Pennsylvania fortgesetzt und so weiter. Wir sahen jedoch größere Chancen, geografisch zusammen mit einer aktiven medizinischen Fakultät mit Forschern dort angesiedelt zu sein.

Der Umzug nach Nordwesten hat die Anzahl der Interaktionen mit Klinikern wirklich zunichte gemacht. Es ist großartig, Artikel zu veröffentlichen und Doktoranden auszubilden und so weiter, aber wir definieren Erfolg durch die Verbreitung der Technologien. Der beste und effektivste Weg, dies zu tun, besteht darin, sich sehr eng mit einer medizinischen Fakultät zu beschäftigen.

Wir haben alle Arten von Studien an Menschen im Gange. Wie Sie bereits erwähnt haben, haben wir Geräte auf der Intensivstation, der Intensivstation und der Intensivstation. Wir haben auch eine Reihe von Engagements mit dem Rehabilitation Institute of Chicago, das jetzt Shirley Ryan AbilityLab heißt. Dort gibt es enorme Möglichkeiten für Parkinson-Patienten, Patienten, die sich nach einem Schlaganfall einer Reha unterziehen. Wir studieren Aphasie, Dysphagie, alles Mögliche. Unsere Bandbreite ist wirklich nur durch die Anzahl der Schüler in der Gruppe begrenzt.

Dr. Topol : Es ist so auffällig, ein Bild eines Neugeborenen zu vergleichen, das an all diesen Drähten überall am Körper befestigt ist, mit einem Bild eines Neugeborenen mit nur zwei Ihrer Hautchips auf Brust und Fuß. Es fühlt sich so an, als wäre dies eine ganz neue Welt. Dies sind die Entwicklungen, die Intensivstationen und Krankenhäuser mit dieser Art der Überwachung unkenntlich machen, oder?

Dr. Rogers : Wir hoffen es. Das ist es, was wir anstreben. Ich denke, dass das NICU-Beispiel ein ziemlich überzeugendes Beispiel ist, bei dem der hautähnliche Formfaktor absolut notwendig ist, nicht nur eine Annehmlichkeit.

Dr. Topol : Wenn Sie [die alten Drahtmonitore] abnehmen, dehiszieren Sie die Haut bei Säuglingen, insbesondere bei kranken. Die Idee, dass Sie dies so tun können, wie Sie es erfunden haben, ist einfach bemerkenswert. Darüber hinaus können Sie Daten erfassen, die Sie nicht einmal von den alten Systemen erhalten konnten.

Dr. Rogers : Das ist wirklich die Grenze. Im Moment konzentrieren wir uns darauf, die heute verwendeten klinischen Werkzeuge zu reproduzieren, aber die Geräte viel weniger invasiv zu machen. Aber sobald Sie Fuß gefasst haben und einmal reproduziert haben, was gerade getan wird, können Sie darüber hinausgehen und alle Arten von Messungen durchführen, die derzeit noch nicht möglich sind.

Zum Beispiel können wir die Herzauskultation messen, die heute auf der Intensivstation nicht durchgeführt wird. Wir können auch Pulsankunftszeiten messen und kontinuierliche Blutdruckmessungen erhalten, die heute ebenfalls nicht durchgeführt werden. Es gibt alle Arten von Möglichkeiten. Hier suchen wir nach zukünftigen Forschungsmöglichkeiten.

Finanzierungsherausforderungen

Dr. Topol : Sie haben die Tatsache angesprochen, dass Sie bei Ihrer Reise nach Nordwesten eine viel bessere Gelegenheit hatten, direkt mit der medizinischen Gemeinschaft in Kontakt zu treten, nicht nur durch Remote-Kooperationen. Was hält diese Verschmelzung von Technik und Medizin zurück? Wir brauchen es, um das Feld voranzubringen, und Sie sind das Vorbild. Warum kommt es Ihrer Meinung nach nicht öfter vor?

Dr. Rogers : Es fällt mir schwer, genau zu sagen. Ich kann aus meiner persönlichen Erfahrung sagen, dass es die translationalen technischen Teile sind, die in einem akademischen Umfeld schwierig zu machen sind. Es gibt relativ wenige Finanzierungsströme, mit denen Sie die entwickelte Grundlagenforschung aus einem akademischen Umfeld heraus in eine sinnvolle menschliche Bereitstellung in einer klinischen Studie umwandeln können.

Wir hatten das Glück, dass wir uns auf philanthropischer Ebene engagiert haben, um dieses Problem zu lösen, aber das ist kein skalierbares Modell, um einen größeren Teil der Ingenieurgemeinschaft für solche Dinge zu gewinnen.

Ich denke, es gibt Möglichkeiten für Stiftungen oder vielleicht die Bundesfinanzierungsagenturen, darüber nachzudenken, ob es nützlich ist, Wetten auf diesen Forschungsstil zu platzieren. Es ist keine grundlegende wissenschaftliche Entdeckung, aber es ist ein wichtiges Stück, denn um Dinge aus dem Labor herauszuholen, müssen Sie diese Dinge tun, richtig? Ich denke, die Ergebnisse dieser Art von Arbeit liefern tiefe und wichtige Einblicke in die Führung der wissenschaftlichen Fragen in der Grundlagenforschung.

Es ist ein wichtiges Stück, und wenn keine Finanzierung dafür vorhanden ist, muss man nach Philanthropie suchen, Unternehmen gründen und Risikokapitalressourcen beschaffen. Es ist zeitaufwändig, langsam und nicht besonders effizient. Es gibt diesen Aspekt der Finanzierungslandschaft, der einen Großteil der Arbeit in diesem Bereich wirklich beschleunigen könnte.

Arbeiten unter dem Mikroskop der Medien

Dr. Topol : Eines der Dinge, die ich an Ihnen interessant fand, war, dass Sie einer der wenigen Ingenieure sind, die jemals ein Profil in The New Yorker "The Body Electric" [3] hatten, das 2013 lief. Sagen Sie uns was Es war, als würde man mit einem New Yorker Journalisten abhängen und sie in Ihr Labor einbetten.

Dr. Rogers : Es war interessant. Es war eine großartige Erfahrung. Es war ein wenig nervenaufreibend, um ehrlich zu sein, denn sie verbrachte zwei volle Tage mit mir, morgens bis abends, und beschattete mich, als ich meinen Geschäften nachging. Sie versuchte so viele Informationen wie möglich zu sammeln, um das Stück zu schreiben. Ich habe ziemlich viel darüber nachgedacht und mich gut vorbereitet, damit die Treffen so waren, dass sie die Einsichten bekam, die sie zum Schreiben des Artikels brauchte. Aber Sie wissen nie, wie sich diese Dinge entwickeln werden.

Dr. Topol : Es war ein Wahnsinn.

Dr. Rogers : Es ist ziemlich gut geworden. Ich war etwas nervös. Ich habe es erst einige Monate später selbst gelesen. Ich wollte es nicht ansehen, aber viele Leute haben es gesehen. Es war eine erstaunliche Sache.

Dr. Topol : Ich hoffe, die ich die Zeit nehmen, es zu lesen, denn es sagt wirklich viel über Sie aus. Es werden nicht einmal alle Dinge erwähnt, für die Sie anerkannt wurden, wie das MacArthur Fellowship (auch bekannt als "Genius Grant"), der Lemelson-MIT-Preis, der Smithsonian Ingenuity Award und Ihre Wahl zur National Academy of Engineering, Na sicher.

Aber du hast gerockt. Sie haben das Feld geändert. Es gibt nicht so viele Pioniere, die das Ingenieurwesen auf ganz unterschiedliche Weise in die Medizin gebracht haben wie Sie.

Optogenetik beleuchten

Dr. Topol : Der andere Bereich, der derzeit natürlich heiß ist, ist die Optogenetik. Es würde mich nicht wundern, wenn Sie auch gut darin sind. Ist das richtig?

Dr. Rogers : Wir sind ziemlich tief darin, ja. Wir hatten 2013 einen Artikel in Science [4], in dem wir unsere Fähigkeit nutzten, sehr kleine, sehr dünne Halbleiterbauelemente herzustellen. Das ist eine Art Grundlage für die in die Haut integrierten Geräte, was viel von dem ist, was wir tun, aber die gleichen Ideen gelten für Leuchtdioden (LEDs).

Die herkömmliche Methode zur Durchführung optogenetischer Studien, zumindest an Tiermodellen von Nagetieren, besteht darin, Glasfaserkabel zu verwenden, die von der Telekommunikationsindustrie entwickelt wurden, um Licht an bestimmte Regionen des tiefen Gehirns zu liefern. Diese Art von Arbeiten. Das Problem ist, dass es das Tier physisch an eine externe Lichtquelle bindet, was sich auf seine natürlichen Verhaltensmuster auswirkt. Dies verhindert wiederum das Studium sozialer Interaktionen, da sich zwei Tiere mit Glasfaserbändern sofort miteinander verheddern.

Wir begannen darüber nachzudenken, ob wir diese winzigen LEDs nehmen und sie direkt in das Gehirn injizieren, die externe Lichtquelle und das Glasfaserkabel entfernen und die LEDs in der Region von Interesse drahtlos mit Strom versorgen könnten das Gehirn und machen Optogenetik auf diese Weise.

Es stellte sich heraus, dass es funktionierte. Es ist erstaunlich, dass Sie das Wärmemanagement auf einem solchen Niveau durchführen können, dass Sie die Neuronen, die Sie mit dem Licht stimulieren möchten, nicht beschädigen und es ermöglicht.

Es besteht wirklich großes Interesse am Zugang zur Technologie. Wir haben tatsächlich ein kleines Unternehmen mit dieser Technologie gegründet und haben jetzt weltweit rund 30 Systeme. Grundsätzlich handelt es sich hierbei um eine Hochfrequenz-Steuerbox mit Softwareschnittstelle, und die winzigen Implantate bieten die Möglichkeit, LEDs in die tiefen Regionen des Gehirns zu injizieren. Der drahtlose Harvester sitzt subdermal. Die Mäuse mit diesen LEDs im Gehirn sehen genauso aus wie Mäuse, die nicht auf diese Weise modifiziert wurden.

Dr. Topol : Es hat ein gruseliges Potenzial. Sie können es sich als Ersatz für eine tiefe Hirnstimulation vorstellen, fast wie einen Schrittmacher für das Gehirn. Als Forschungsinstrument ist es natürlich bemerkenswert.

Vorausschauen

Dr. Topol : Welche anderen Bereiche sehen Sie im weiteren Verlauf für ihre Herausforderungen, aber auch für ihr großes Potenzial?

Dr. Rogers : Wir freuen uns über die transiente Elektronik, auf die Sie vor einigen Minuten Bezug genommen haben. Die Vorstellung eines Arzneimittels, das auf Elektronik basiert, die sich im Körper auflöst, ist ziemlich attraktiv.

Als Beispiel haben wir aktive Programme in elektrischen Stimulatoren, die mit beschädigten peripheren Nerven in Verbindung stehen und vollständig in den Körper implantiert werden. Sie können dann drahtlos elektrische Impulse an den Nerv senden, um die Neuroregeneration und Heilung zu beschleunigen. In diesem Zusammenhang möchten Sie ein Gerät, das letztendlich bioresorbierbar ist, da Sie das Gerät nicht mehr benötigen, sobald der Nerv verheilt ist.

Diese Art von System, das möglicherweise mit einer Erfassungsmodalität gekoppelt ist, die eine Operation mit geschlossenem Rückkopplungskreis ermöglicht, ist unserer Meinung nach eine wichtige Zukunft. Wir haben viele Forschungsanstrengungen in diese Richtung.

Dr. Topol : Es ist klar, dass Sie über die Erfassungsfähigkeit hinaus zur eigentlichen Behandlung übergehen. Es ist ziemlich beeindruckend.

Dr. Rogers : Danke.