Ist unser Körper die Batterie der Zukunft?

Inspiration von einem MIT-Forscher, der Energie aus dem Körper selbst gewinnt

Chris Gilbert, MD und Canan Dagdeviren, Ph.D.

Quelle: Chris Gilbert, MD, Ph.D.

Am 18. September 2018 bin ich sehr aufgeregt aufgewacht. Mein Mann und ich hatten um neun Uhr morgens einen Termin im Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, um ein Interview mit Dr. Canan Dagdeviren zu führen. Ich war aus Paris in Frankreich und war noch nie im MIT gewesen, hatte aber immer davon geträumt, es zu besuchen. An diesem Tag würde mein Traum in Erfüllung gehen. Ich war begeistert.

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Nach einer kurzen Taxifahrt (kurze Strecke, aber lange in der Zeit, da der Verkehr stark war), kamen mein Mann Eric und ich in ein großes, modernes Gebäude. Ein großes Schild mit der Aufschrift „Massachusetts Institute of Technology“ befand sich über der Eingangstür. Mein Herz raste vor Aufregung. Mein Mann und ich stiegen die Treppe hinauf, die zur Eingangstür führte, und wurden in der Lobby von einer jungen, dünnen, hübschen Brünette mit langen Haaren und auffallend hellen, braunen Augen empfangen, die ein buntes rot-weißes Oberteil über weißen Hosen trugen. Sie hatte ein breites Lächeln im Gesicht und sagte mit ausgestreckter rechter Hand: “Ich bin Canan Dagdeviren, willkommen im MIT!”

Wir fuhren mit einem Aufzug in die 4. Etage und folgten ihr zu ihrem geräumigen Büro.

“Mein Büro hat türkische Dekorationen, die mich an meine Familie und mein Heimatland erinnern”, sagte Canan stolz. An der Wand über ihrem Schreibtisch befand sich tatsächlich ein sehr alter, handgefertigter Teppich.

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„Dieser Teppich ist ein Geschenk meiner Großtante. Es ist mehrere hundert Jahre alt und alle seine Farben werden von Blumen erzeugt. Um es zu schützen, habe ich es in einen Vakuumrahmen gelegt “, fügte Canan lächelnd hinzu und führte uns dann durch einen Flur. „Jetzt lass mich dir mein Labor zeigen. Ich habe es mit transparenten Wänden nach Maß bauen lassen. “Wir kamen außerhalb einer großen Fläche mit transparenten, gelblichen Wänden an.

Canan Dagdeviren, Ph.D., vor ihrem maßgeschneiderten, durchsichtigen, gelben Labor

Quelle: Canan Dagdeviren, mit Genehmigung verwendet

„Als ich promovierte, Als Student in einer von Männern dominierten Forschungsgruppe stellte ich viele praktische Fragen, wie z. B. mit Wafern (dünnen Halbleitermaterialien) umzugehen, ohne sie zu zerbrechen, wie mischen Sie Polymere, wie verdrahten Sie Ihre Geräte usw., aber meine Meine männlichen Kollegen waren meiner Fragen überdrüssig und hörten auf, mir zu antworten. Deshalb verbrachte ich morgens bis abends unzählige Stunden in Laboren und beobachtete, wie erfahrene Forscher arbeiteten. Leider waren die Wände der Labore nicht durchsichtig, sodass ich mich jedes Mal neu anziehen musste, wenn ich in die sterilen Labore gehen wollte. Ich habe mir selbst versprochen, dass ich, wenn ich mein eigenes Labor habe, maßgeschneiderte transparente Wände hätte, so dass Schüler wie ich es lernen könnten, erfahrene Forscher von außerhalb des Labors zu beobachten, ohne um Erlaubnis zu bitten oder sich verkleiden zu müssen, um in das Sterile zu kommen Umgebung. Ich habe mein Versprechen gehalten und letztes Jahr mein Traumlabor gebaut. Die Entwicklung dieses neuen Labors dauerte von der Planung bis zum Bau 9 Monate. Die Wände haben eine gelbe Tönung, so dass kein UV – Licht in die transparenten Wände eindringen kann (die Polymere, mit denen ich arbeite, könnten inaktiv werden, wenn UV – Licht zu ihnen gelangt). In der Decke befinden sich Absaugvorrichtungen, um Staubpartikel herauszufiltern und das Wasser zu halten Labor unter Unterdruck. Dies macht mein Labor zu einem sehr sauberen Ort, damit meine Arbeit so präzise wie möglich sein kann. “

Canan Dagdevirens hochrangiges Forschungsteam

Quelle: Canan Dagdeviren, mit Genehmigung verwendet

Ich hatte noch nie ein Labor mit durchsichtigen gelben Wänden gesehen, und es war in der Tat faszinierend, Forschern von außen zuschauen zu können. Canans Interview hatte einen sehr guten Start. Ich fragte sie nach ihrem persönlichen Leben und genau ihrer Kindheit. Was hat sie motiviert, in die Vereinigten Staaten zu kommen? Warum hat sie Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften studiert? Was waren ihre Träume? Dann bat ich sie, die verschiedenen Projekte zu beschreiben, an denen sie arbeitete.

Die inspirierende Geschichte eines jungen Mädchens in der Türkei

Bereits im Alter von 5 Jahren wollte Canan, das bereits an Wissenschaft interessiert war, Atome sehen und zerschlug dafür Steine ​​in ihrer türkischen Heimatstadt. Als Canans Vater, ein Buchhalter, sah, wie Canan Steine ​​zerschmetterte, erklärte er ihr, dass Menschen Atome nicht mit bloßem Auge sehen konnten, dafür aber ein Elektronenmikroskop benötigten.

Einige Jahre später gab Canans Vater Canan ein Buch über Marie und Pierre Curie, ein Buch, das Canans Leben für immer veränderte. In diesem Buch hat Pierre Curie gezeigt, dass beim Zusammendrücken von Kristallen ein elektrisches Potential erzeugt wurde. Später, als das Gegenteil der Fall war, konnten Kristalle ihre Form ändern, wenn ein elektrisches Feld an sie angelegt wurde. Pierre Curie hatte im Jahr 1880 die Piezoelektrizität (Elektrizität aufgrund von Kompression oder Druck) entdeckt, und Canan, der über Piezoelektrizität las, hatte die Leidenschaft ihres Lebens entdeckt. Was wäre, wenn sie die durch die Kontraktion des Herzens und anderer Körpermuskeln erzeugte Elektrizität ernten und diese Elektrizität verwenden könnte, um mechanische Geräte anzutreiben?

Aufgrund ihrer neuen Leidenschaft beschloss Canan, in Ankara Physik zu studieren und in Istanbul Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften zu studieren.

Nachdem sie die Türkei verlassen hatte, um in Harvard zu studieren, erhielt sie ein Fulbright-Stipendium für einen Ph.D. Programm an der University of Illinois in Urbana-Champaign im Jahr 2009.

Canan’s Ph.D. Die Beraterin empfahl ihr, an Kohlenstoff-Nanoröhren zu arbeiten, lehnte dies jedoch ab. Sie wollte an piezoelektrischen Materialien arbeiten. Was sie wollte, war so neu, dass niemand sie betreuen konnte. Das hat sie nicht abgeschreckt. Sie würde sich selbst beraten. Sie hat ihre Promotion erfolgreich abgeschlossen. an der University of Illinois, dann Postdoc-Ausbildung am MIT.

Vor vier Jahren wählte das MIT Technology Review Board die 35 besten Innovatoren des Jahres, die unter 35 Jahre alt waren. Mit 29 Jahren gehörte Canan zu den Innovatoren des Jahres.

Seitdem hat Canan acht Studien veröffentlicht (siehe Referenzliste), um wichtige Entdeckungen zu ermöglichen.

In diesem Jahr gab der Bürgermeister von Istanbul Avcilar Municipality einem 22-stöckigen Gebäude in Avcilar, einer Region im europäischen Teil von Istanbul, den Namen Canans. Canan war am 28. Oktober 2018 in Istanbul, um den Studentenwohnheim von Canan Dagdeviren zu eröffnen, der 770 weibliche Studenten aufnehmen konnte.

An welchen Projekten arbeitet Canan gerade und warum hat sie diese ausgewählt?

Dr. Canan Dagdevirens fünf große Projekte:

Projekt 1:

Da Canans Großvater im Alter von 28 Jahren an Herzversagen starb, arbeitet Canan an einem Projekt, das das Leben ähnlicher Herzpatienten retten könnte.

Canan nutzt die Tatsache, dass jedes Mal, wenn wir unsere Beine, Arme, Finger usw. bewegen, Energie erzeugt wird, und arbeitet an flexiblen Patches, die an Kleidungsstücken befestigt werden können, um diese Energie zu gewinnen und zu speichern. Dies ist die piezoelektrische Energie, in die sich Canan verliebte, als sie von Pierre Curie las.

Gerät, das Energie aus jeder Herzbewegung sammelt

Quelle: Canan Dagdeviren, mit Genehmigung verwendet

Unsere Glieder sind nicht die einzigen, die sich bewegen; Unser Herz, unsere Lungen und das Zwerchfell bewegen sich ebenfalls. Jedes Mal, wenn unser Herz schlägt (unser Herz schlägt 40 Millionen Mal pro Jahr), jedes Mal, wenn unsere Lungen atmen, und jedes Mal, wenn sich unser Zwerchfell bewegt, erzeugen auch sie Energie. Canan arbeitet mit Maschineningenieuren der Universität von Arizona zusammen, um flexible Silikonimplantate auf Rinder- und Schafherzen zu platzieren, um die Energie von Herzschlägen zu gewinnen und diese Energie zum Beispiel für einen Herzschrittmacher zu verwenden. Derzeit haben Herzschrittmacher eine Batterie, die regelmäßig gewechselt werden muss. Dies erfordert jedes Mal eine Operation, wenn die Batterie gewechselt werden muss. In der Zukunft kann die Energie, die aus unseren Herzschlägen gewonnen wird, möglicherweise gespeichert werden und nicht nur Herzschrittmacher, sondern auch unsere elektronischen tragbaren Geräte wie Fitbits mit Strom versorgen.

Projekt Nr. 2:

Da Canans Großmutter an Brustkrebs starb und Canans geliebte Tante vor zwei Jahren im Alter von 50 Jahren nach einem kurzen, achtmonatigen Kampf gegen Brustkrebs starb, hat sich Canan entschlossen, einen Weg zu finden, Brustkrebs frühzeitig zu erkennen.

Angesichts der erhöhten Häufigkeit von Brustkrebsdiagnosen bei Frauen hat Canan zwei Fragen:

Welche Veränderungen im Brustgewebe führen zu Brustkrebs?

Können diese Änderungen zu einem sehr frühen Zeitpunkt erkannt werden, um eine frühzeitige Behandlung zu ermöglichen?

Um diese Fragen zu beantworten, arbeitet Canan an der Entwicklung flexibler, dehnbarer, tragbarer oder anfügbarer Ultraschallpflaster, die in BHs oder direkt auf der Brust selbst platziert werden können, sodass Frauen alarmiert werden, sobald sich eine unerklärliche Veränderung in ihrem Körper bemerkbar macht Brüste Canan hofft, durch den konstanten Brust-Ultraschall die prodromalen Veränderungen, die zu Brustkrebs führen, bereits vor dem Beginn des Krebses zu erkennen und frühzeitig behandelt zu werden, so dass künftig keine Frau mehr an Brustkrebs stirbt.

Projekt Nr. 3:

Da die Frau von Canan Onkel im Alter von 38 Jahren an einer tödlichen Form von Gehirnkrebs namens Glioblastoma multiforme starb, arbeitet Canan an einer Technologie, die frühe Veränderungen im Gehirn erkennt und Medikamente direkt in den erkrankten Teil des Gehirns einbringen kann, so dass In der Zukunft können Menschen behandelt werden und diese Krebsarten überleben.

Um das Ziel der frühzeitigen Erkennung anormaler neuronaler Aktivität zu erreichen, entwickelt Canan flexible, haardünne (200 Mikrometer Durchmesser) Sensoren, die über ein Führungsrohr aus Edelstahl direkt im Gehirn platziert werden können. Canan nennt diese MiNDS (Miniaturized Neuronal Drug Delivery Systems). Sie hofft auch, durch Veränderungen der neuronalen Aktivität, Verhaltens- und Stimmungsstörungen sofort zu erkennen.

Canan arbeitet auch an der Parkinson-Krankheit. Mäuse, die an Parkinson erkrankt sind, injizieren Pikoliter eines Arzneimittels direkt in die Substancia Nigra (Region des Gehirns, die von Parkinson betroffen ist). Das Medikament befindet sich in einem kleinen Reservoir unter der Haut am Halsansatz. Dank einer Rückkopplungssteuerung, die mit einem Sensor verbunden ist, wird das Medikament durch eine Pumpe zum Gehirn geführt. Die einzigartige Eigenschaft der hauchdünnen Sensoren besteht darin, dass sie so flexibel sind, dass sie sich gleichzeitig mit dem implantierten Organ bewegen, ohne sie zu beschädigen. Diese Nadeln unterscheiden sich stark von den Nadeln, die derzeit für die Deep Brain Stimulation (DBS) verwendet werden. Diese Nadeln sind sehr voluminös.

In Zukunft hofft Canan, die gleichen Mittel für die Chemotherapie in anderen Organen einzusetzen, die schwer zu erreichen sind, wie zum Beispiel die Bauchspeicheldrüse.

Projekt Nr. 4:

Canan schafft ein Gewebe, in das mehrere Sensoren eingebettet sind, mit dem Ziel, Druck- und Volumenänderungen in einem Körper oder Körperteil zu messen. Canan hofft, dies auf Babykleidung anwenden zu können, damit diese Sensoren bei einem schlafenden Baby sofort Atem- oder Verdauungsstörungen erkennen und die Eltern darauf aufmerksam machen können, wenn das Baby aufhört zu atmen oder wenn das Baby abnorme Bauchbewegungen hat.

Canan hofft auch, diesen Stoff mit Sensoren auf schwangere Frauenkleider aufzubringen, damit sie sofort erkennen können, ob sich der Fötus weniger als normal bewegt oder sogar alle Bewegungen stoppt. Dies könnte Kinderleben retten.

Projekt Nr. 5:

Canan hat die Idee von türkischen Teppichen gewonnen, die für den Transport aufgerollt und beim Erreichen eines Ziels aufgerollt werden, und erstellt ein Magen-Darm-Gerät, das flach und lang ist, wie türkische Teppiche. Dieses Gerät kann wie ein Teppich aufgerollt und in eine auflösbare Kapsel gebracht werden, die verschluckt wird. Das Gerät wird dann abgerollt, wenn sich die Kapsel auflöst, und es wird an der Magenauskleidung befestigt, um den pH-Wert des Magens zu messen, die Magenbewegungen zu analysieren und möglicherweise Energie aus den Magenkontraktionen zu gewinnen. Dadurch entsteht so etwas wie ein Fitbit für den Bauch.

Was ist der Traum von Dr. Canan Dagdeviren?

Canans Traum ist es zu verstehen, was im Körper auf zellulärer und molekularer Ebene geschieht, und dabei das Leben der Menschen retten zu können.

Was ist der genaue Mechanismus des Prodromalstadium von Krebs oder der Beginn der Parkinson-Krankheit?

Was ist mit Depressionen? Was passiert in den Neuronen, kurz bevor Menschen depressiv oder ängstlich werden? Gibt es lokal eine Temperaturänderung? Wenn ja, wie groß und signifikant ist diese Temperaturänderung? Gibt es einen neuronalen Tod? Wie kann dies zur Vorbeugung von Stimmungsstörungen eingesetzt werden?

Canan sagt: „Astronauten mussten in den Weltraum gehen, um das Universum zu verstehen. In ähnlicher Weise ist der einzige Weg, den Körper zu verstehen, darin, sich in den inneren Raum zu begeben. “Dazu sagt sie, dass Ingenieure notwendig sind, um tragbare, implantierbare, ansteckbare Minisensoren zu schaffen, und Neurowissenschaftler, Psychologen und Ärzte müssen mit Ingenieuren zusammenarbeiten.

Könnten wir das noch weiter gehen?

Werden wir eines Tages in der Lage sein, mit Hilfe von Ingenieuren nicht nur Krankheiten zu heilen, sondern auch Übermenschen zu schaffen? Können wir mit mehreren Implantaten in unserem Körper unsere Emotionen kontrollieren, unser Gedächtnis, die Herzkraft, die Verdauung, die Fruchtbarkeit und die Muskelkraft verbessern?

Die Zukunft wird es zeigen….

Ich beendete mein Interview, indem ich Canan fragte, welche Botschaft sie den Studenten geben wollte.

Dr. Canan Dagdevirens Botschaft an die Studenten

“Folge deiner Leidenschaft. Wenn die Leute Ihnen sagen, dass das, was Sie tun möchten, nicht möglich ist, hören Sie ihnen nicht zu. Die Leute sagten mir, dass das, was ich wollte, unmöglich war, aber ich antwortete ihnen, dass mein Vorname Canan ist, der mit “Can” beginnt, also “kann” ich es. Versuchen Sie auch nicht, nur um der Sache willen wirkungsvoll zu sein. Was zählt, ist, dass Ihr Projekt Ihrem Leben einen Sinn gibt. Wenn Sie mit Ihrem Projekt zufrieden sind, wird es Auswirkungen haben. “

Angesichts der Botschaft von Canan an die Studenten, hier ist meine Frage an Sie :

Was ist deine Leidenschaft im Leben? Gibt es irgendetwas, das Sie als Kind machen wollten und die Leute sagten, Sie sollten es nicht tun? Würde die Arbeit an diesem neuen Projekt Ihrem Leben einen Sinn geben und Sie glücklich machen?

Verweise

https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-bioeng-071516-044517

http://stm.sciencemag.org/content/10/425/eaan2742.short

https://www.nature.com/articles/s41551-017-0140-7

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352431616301092

http://science.sciencemag.org/content/354/6316/1109.1.summary

http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/472/2194/20160225

https://www.nature.com/articles/nmat4289

https://www.ideals.illinois.edu/handle/2142/73068