IBM 5 in 5：“芯片上”的医学实验室将作为健康侦探在纳米尺度上追踪疾病

一块硅晶片设计用于对体液中发现的颗粒进行分类，以实现早期疾病检测。

疾病诊断得越早，治愈或成功控制的可能性就越大。例如，在第一阶段检测和治疗的乳腺癌和前列腺癌的五年生存率接近 100%。在第四阶段，这一比率下降到乳腺癌的 26% 和前列腺癌的 28%。

及早发现疾病的挑战在于，我们中的许多人在出现症状之前不会寻求治疗，这意味着疾病已经发展。当今的检测技术（如乳房 X 光检查）通常不舒服、不方便且并不总是准确。

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• “芯片上”的医学实验室将作为健康侦探，在纳米尺度上追踪疾病
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我从事癌症基因组学研究已超过十五年，在此期间我看到了令人难以置信的进步，主要来自基因组学技术的进步。一开始，我的工作主要集中在处理来自当时新技术（如基因表达阵列和后来的 RNA 测序）的大量基因组数据集。

大约 10 年前，我意识到我们在 IBM Research 拥有的超微和纳米技术方面的专业知识和资源可用于推进 DNA 测序。大约三年前，我和我的团队开始思考如何使用纳米技术来创建诊断设备，就像侦探寻找线索一样，可以在很早的阶段检查体液中的纳米级疾病相关生物标志物。这些设备可以极大地改善患者的前景，为癌症、传染病和神经退行性疾病等领域的医疗保健做出重大贡献。

三年后，我们即将通过我们在 IBM 纳米生物技术小组内开发的纳米级确定性横向位移或 nanoDLD 设备实现这一愿景。我们的目标是，在未来五年内，我们将能够将这项技术和其他纳米技术与人工智能相结合，以克服当前的挑战，并尽早发现癌症等疾病。

我们的预测是什么？

五年后，纳米生物技术的进步将使我们能够检查和过滤体液中的微小生物颗粒，在我们出现任何症状之前显示出癌症等疾病迹象，让我们立即知道是否应该咨询医生。

为什么这会改变世界？

治疗像癌症这样的疾病是昂贵的。根据美国临床肿瘤学会的数据，最近批准的抗癌药物平均每月花费 10,000 美元；一些疗法可能每月花费 30,000 美元或更多。当您的医生能够在癌症的早期诊断出癌症时，您破产和死亡的几率就会显着降低。通过让早期癌症的检测变得几乎像在家进行妊娠试验一样容易，我们将改变癌症的经济状况，并大大减少其对后代的身心伤害。

同时，只有当技术允许个人对其健康的生理、心理、分子和细胞标志物进行定期快照时，才能实现预防性和个性化医学的愿景。我们的技术将能够无缝跟踪个人的分子和细胞健康。

底层技术是什么？

几家公司正在研究使用外泌体等生物颗粒来早期诊断疾病，尽管 IBM 是第一个达到必要规模并在芯片上分离和检测外泌体的公司。我们的方法使用 nanoDLD 通过带有 IBM 设计的特殊非对称柱阵列的硅芯片处理液体样品。阵列是关键——它允许系统对样品中的粒子进行分类和分离。较小的颗粒沿流体方向以锯齿形运动移动，而较大的颗粒则沿柱不对称方向穿过阵列。大颗粒的行为就像卡车司机被迫在高速公路上偏离卡车车道，而小颗粒的行为就像小汽车直线行驶而没有偏离。以类似的方式，我们的柱阵列允许分离和隔离不同尺寸的材料以进行检测或分析。如果你熟悉Price is Right的游戏Plinko或日版Pachinko，它看起来像那样。

从这些芯片中提取的信息是可以指示是否存在疾病的信号。这可以与来自支持物联网的设备（如睡眠监测器和智能手表）的数据相结合，并由认知系统处理，让我们全面了解自己的健康状况。

相关论文和专利

论文
Benjamin H. Wunsch、Joshua T. Smith、Stacey M. Gifford、Chao Wang、Markus Brink、Robert L. Bruce、Robert H. Austin、Gustavo Stolovitzky 和 ​​Yann Astier，“用于分离的纳米级横向位移阵列外泌体和胶体低至 20 nm。” 自然纳米技术。

专利
美国专利号 9,012,329 – “贵金属之间的纳米间隙”

在 IBM 5 in 5 上阅读 IBM 2016 年的所有技术预测。

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