У среднего человека есть 1 из 2 шансов заболеть раком в течение своей жизни.
Это может быть вы.
Но не волнуйтесь. Тот факт, что у многих людей ожидается рак, не означает, что их невозможно вылечить. Предполагая, что они будут диагностированы до того, как они распространятся по всему телу, раковые образования можно удалить без особых усилий - с помощью операции, известной как резекция опухоли. Благодаря этой единственной процедуре, долгосрочные показатели выживаемости при заболевании увеличиваются. на пути к 100% [1].
Но что, если я скажу вам, что резекции - основное лечение рака - большую часть времени даже не работают?
Это довольно удивительно, но именно это происходило веками - с тех пор, как эта процедура была впервые разработана. Почему? Потому что исторически резекция позволяла продлить время для больных раком, но не вылечила заболевание у источника.
Возьмите это исследование, проведенное с участием пациентов, у которых диагностирована агрессивная форма рака легких, называемая немелкоклеточной карциномой легких (НМРЛ) [2]:
«Всего в исследовании после резекции участвовали 1143 пациента. Из этих пациентов 378 (33,1%) имели рецидив при последующем анализе всего через 24 месяца ».
Чтобы резекция сработала, ее необходимо провести с невообразимой точностью. Видите ли, если после операции останется только одна раковая клетка, вся процедура может стать бесполезной. Даже такой крошечной порции рака, сохраняющейся после резекции, может быть достаточно, чтобы вызвать рецидив заболевания, и это плохие новости:
С другой стороны, метод резекции на самом деле похож на попытку разрезать яблоко на кусочки размером с укус, когда вы вооружены бензопилой - это не так точно, как должно быть. Чтобы получить больше информации, позвольте мне дать вам обзор традиционного хирургического процесса:
- Хирурги делают разрезы вокруг интересующей области (области тела пациента, пораженной раком).
** Отсюда процедура может проходить по двум разным маршрутам, в зависимости от того, можно ли четко выделить опухоль среди окружающих тканей или ее слишком трудно различить человеческим глазом **
2А. Если опухоль достаточно легко визуально отличить от окружающей ткани, тогда хирург приступает к делу и удаляет опухоль вместе с соседней здоровой тканью (которая, как мы видели ранее, не всегда удаляет все рак). Однако после этого шага операция практически завершена.
2Б. Учитывая, что рак сливается с окружающей тканью (что может быть чрезвычайно распространенным явлением), хирурги берут небольшой образец предполагаемой ткани и отправляют его в лабораторию патологии на месте.
3. Лаборатория патологии переносит эти клетки на слайды, которые можно рассматривать под микроскопом, и окрашивает (окрашивает) их, чтобы раковые признаки можно было рассмотреть с гораздо большей контрастностью. Затем, примерно через двадцать минут патологоанатом определяет, был ли образец здоровым или злокачественным. Имейте в виду, что на это время вся операция приостанавливается:
4. Если образец был злокачественным, область удаляется аналогично шагу 2А, а здоровая ткань остается в покое. Теперь весь процесс сбора образцов и постановки их диагноза повторяется, пока хирург не решит, что интересующая область была полностью покрыта.
И вуаля! Это (довольно упрощенная версия) того, как происходит большинство резекций, и я предполагаю, что вы уже заметили некоторые серьезные недостатки в этом процессе. Самая большая из них - это просто сколько безумно много времени требуется патологу, чтобы поставить точный диагноз - особенно для образца ткани размером с чашку Петри.
Операции могут проходить через десятки таких раундов, и это может занять огромное количество времени, заставляя хирургов спешить с операцией и жертвовать точностью в процессе. Ирония заключается в том, что большая часть операции проводится в ожидании результатов лабораторных исследований!
Если вы думаете, что должен быть лучший способ обойти этот процесс, тогда вы окажетесь в том же положении, что и я год назад. Вот почему я решил создать решение - я назвал его LightIR.
«Легкий» обзор
LightIR - это первый в мире портативный зонд для обнаружения рака, работающий в режиме реального времени, разработанный для улучшения резекции опухолей. Прошло больше года с тех пор, как я начал его разрабатывать, и устройство продвинулось семимильными шагами за пределы того, на что я мог надеяться. Знаю, знаю ... с таким длинным вступлением вы, наверное, задаетесь вопросом, как работает устройство, так что давайте перейдем к делу!
LightIR стал результатом моего объединения принципов из двух полярно противоположных областей - биотехнологии и фотоники - области, которая описывает свойства света. Давайте поговорим немного подробнее:
В настоящее время LightIR использует концепцию спектрального анализа, которая, по сути, является жаргонным выражением: «отражать свет от предметов и видеть, как он меняется». Думайте о свете, который вы видите, как о продукте возбуждения электронов и высвобождения этой энергии обратно в виде световых частиц или фотонов:
«Каждый из этих фотонов содержит определенное количество энергии, и они колеблются со скоростью, пропорциональной ей. Фотоны с высокой энергией вибрируют быстрее, а фотоны со слабой энергией - намного медленнее ».
Теперь вы можете связать слово «спектральный» со словом «спектр», и именно отсюда оно произошло. Вместо того, чтобы наблюдать изменения в одиночном уровне энергии фотона, спектральный анализ включает в себя излучение света известного качества на образец и анализ свойств недавно измененных (модулированных) фотонов в целый ряд уровней энергии.
Чтобы быть более конкретным, LightIR использует особый тип спектрального анализа, известный как диффузное отражение. Всякий раз, когда фотоны взаимодействуют с объектом, они могут претерпевать самые разные преобразования и могут принимать почти бесконечно большое количество путей через него:
Легкий способ представить себе диффузное отражение - это понять его полную противоположность, называемую зеркальным отражением. Чтобы понять зеркальное отражение, представьте, как фотоны обычно отражаются от поверхности - в большинстве случаев они отражаются обратно под тем же углом, под которым излучался свет. С другой стороны, диффузное отражение - это отражение света под каждым углом, но под тем же углом, под которым он был испущен.
Оборудование + сбор данных
Используя датчики, созданные для обнаружения фотонов, которые ведут себя подобным образом, вы можете реконструировать молекулярные свойства образца с невероятной точностью, которая является именно той точностью, которая необходима для обнаружения раковых клеток.
Так что примерно за шесть месяцев я намеревался собрать именно это. Несмотря на то, что разработка аппаратных устройств не была моей сильной стороной, я смог получить большую помощь от Algonquin College Makerspace в Оттаве, где все были достаточно любезны, чтобы провести меня через весь процесс:
И, в конце концов, я начал понимать это и в процессе извлек бесчисленные ценные уроки - как с технической, так и с философской точек зрения. За эти пару месяцев я научился всему: от 3D-дизайна до создания корпуса датчика, до электрического проектирования внутренних компонентов и вплоть до более сильного мышления роста и более яркую страсть к тому, что я пытался построить.
А потом, примерно через три месяца и тысячи настроек спустя, пришло время задать вопрос на миллионы долларов:
"Это здорово и все такое, но действительно ли это работает?"
Была только одна проблема - у меня дома не было раковых клеток. И хотя это, вероятно, была самая сложная часть всего проекта, я обратился к более чем 40 различным профессорам в моем районе, которые согласились позволить мне протестировать мое устройство в своих лабораториях.
Ответил только один, но это было да!
Этим профессором был д-р. Мартин Хольчик и он работал в лаборатории клеточной патологии в Карлтонском университете в Оттаве, и он провел довольно невероятные исследования в области редких видов рака, а также эпигеномики или изучения того, как экспрессируются наши гены.
И с моим 13-летним умом, только что потрясенным самой большой возможностью, которую я, возможно, когда-либо испытала, я отправился претворять свои идеи в жизнь. В лаборатории доктора Хольчика мне удалось протестировать свое устройство на определенных типах раковых клеток костей, известных как рабдомиосаркома и остеосаркома, и здоровых клетках кожи, известных как фибробласты:
Это звучит намного сложнее, чем было на самом деле, но в основном это был часовой сеанс, когда я поместил разработанный мною зонд на чашку Петри (клеточная линия), которая автоматически зарегистрировала тысячи показаний отражательной способности, и вставил их в электронную таблицу. Это будут данные, которые я буду вводить в модель машинного обучения (ИИ), которую я буду тренировать.
Программное обеспечение
Если я чему-то научился за время прототипирования оборудования в Алгонкинском колледже, так это быстрому прототипированию, чтобы вы могли быстрее выходить из строя, а затем еще быстрее перепроектировать . В то время не имело смысла создавать модный веб-сайт со всеми возможными звонками и свистками.
На тот момент единственным требованием было обучение модели машинного обучения, поэтому я построил ее самым простым из возможных способов:
Я сделал это, создав тип программного обеспечения, известный как Графический интерфейс пользователя (GUI), с помощью языка NODE-RED на основе Javascript, и обучил тип модели, известный как дерево решений. В этом случае вы можете думать об этом как о десятках связанных друг с другом неравенств (например, если интенсивность отраженного света выше порогового значения, тогда ткань злокачественная, а если нет, то здоровая) :
Вкратце - вот результаты, которые объединили весь проект:
LightIR смог классифицировать раковые и здоровые клетки с точностью более 99,6%, точностью 99,4% и мог ставить новый диагноз 50 раз в секунду - примерно в 60 000 раз быстрее, чем существующие сегодня системы патологии [3].
После каждой успешной вехи в инновациях возникает удивительное чувство вдохновения и трепета. Вы хотели решить проблему, придумали сотни идей для ее достижения, и, наконец, вы превратили ее в реальность - настоящее устройство, которое может помочь людям. Вот как я себя чувствовал ... раз 1000X.
Итак, с очень, очень высокой точки зрения, это был полный тур по платформе обнаружения рака, которую я построил, но есть еще гораздо больше, что нужно сделать, если у LightIR действительно есть шанс срыв операций по лечению рака.
Мне повезло, что я смог пойти по этому пути, но я не собираюсь притворяться, что это устройство хоть сколько-нибудь близко к тому, чтобы стать следующим большим достижением в ближайшее время - далеко не далеко . Как бы то ни было, я изо всех сил стараюсь достичь этого, подавая заявки на патенты, продолжая тестировать образцы, которые представляют рак лучше, чем клеточные линии, и, надеюсь, на стороне FDA.
Тем временем LightIR находится в постоянной разработке, и я уже на пути к созданию своего десятого рабочего прототипа. Но кто знает? Примерно через пару лет вы можете пойти в свою больницу на улице и увидеть устройство, которое, по вашему мнению, кажется вам ужасно знакомым ...
Спасибо за чтение и будьте в безопасности!
Аарян.
Использованная литература:
[1] Показатели выживаемости при раке. (нет данных). Получено 19 мая 2020 г. с сайта http://www.bccancer.bc.ca/health-info/disease-system-statistics/cancer-survival-rates.
[2] Местный рецидив после полной резекции немелкоклеточной карциномы легкого: значение местного контроля с помощью лучевой терапии. (1994). Рак легкого, 11 (3–4), 334. doi: 10.1016 / 0169–5002 (94) 90613–0
[3] Отчеты о патологии. (нет данных). Получено 19 мая 2020 г. с сайта https: // www.cancer.gov/about-cancer/diagnosis-staging/diagnosis/pathology-reports-fact-sheet.
Кредиты на изображения и видео:
Https://www.youtube.com/watch?v=WzF_SMHKcII
Http://lup.lub.lu.se/luur/download func = загрузить файл и запись OId = 8953171 & fileOId = 8954170
-Все остальные изображения были моими :)
