George Whitesides: Een lab ter grootte van een postzegel

Het probleem waarover ik het met jullie wil hebben, is het probleem hoe gezondheidszorg aan te bieden in een wereld waarin kosten het hele verschil maken. Hoe doe je dat? Het fundamentele paradigma bestaat erin duidelijk te maken dat als je een ziekte wil behandelen je eerst moet weten wat je moet behandelen - dat is diagnostiek - en dan pas moet je iets doen.

Ons programma gaat over wat wij 'diagnostiek voor iedereen' of 'gratis diagnostiek' noemen. Hoe zorg je voor medisch relevante informatie voor zo weinig mogelijk geld? Hoe doe je dat? Ik geef jullie twee voorbeelden. De moeilijkheden van de militaire geneeskunde zijn niet zo verschillend van die van de derde wereld. Weinig hulpmiddelen, een barre omgeving, het mag niet te zwaar zijn en dies meer. Maar ook niet te verschillend van de thuiszorg en de wereld van diagnostische systemen.

De technologie waarover ik het wil hebben, is bedoeld voor de derde wereld, voor de ontwikkelingslanden, maar ze heeft, denk ik, een veel bredere toepassing, omdat informatie zo belangrijk is in de gezondheidszorg. Hier twee voorbeelden. Een daarvan is een redelijk gesofisticeerd laboratorium in Afrika. Het tweede is een ondernemer die op een tafel op een markt wie weet wat aan het doen is. Ik weet niet wat voor zorg er wordt geleverd. Maar het is waarschijnlijk niet de meest efficiënte.

Wat is onze aanpak? Vanuit het perspectief van de Verenigde Staten is de manier om de kosten te verlagen, uit te gaan van onze oplossing en dan te proberen om de kosten te verminderen. Maakt niet uit hoe je het doet, je kunt niet vertrekken van een instrument van 100.000 dollar en dat gratis maken. Dat werkt niet.

Wij werkten net andersom. Wij vroegen: "Wat is het goedkoopst mogelijke spul waar je een diagnostisch systeem van zou kunnen maken, en waar nuttige informatie uit zou krijgen, door er functie aan toe te voegen?" Ons antwoord: 'papier'. Wat je hier ziet is een prototype. De zijde meet ongeveer één centimeter. Ongeveer de grootte van een vingernagel. De lijnen langs de randen zijn een polymeer. Het is gemaakt van papier en papier zuigt vloeistof op. Jullie kennen papier en doek. Mors wat wijn op een tafelkleed en de wijn verspreidt zich vanzelf. Mors hem op je shirt en het is naar de vaantjes. Dat is wat een hydrofiel oppervlak doet.

De bedoeling van dit apparaat is dat je de onderkant met een druppel van bijvoorbeeld urine bevochtigt. De vloeistof wordt opgezogen naar die vakjes bovenaan. De bruine kleur geeft de hoeveelheid glucose in de urine aan. De blauwe kleur geeft de hoeveelheid eiwit aan. En de combinatie van die twee is een eerste poging tot het verkrijgen van nuttige informatie. Dit is dus een voorbeeld van een apparaat gemaakt van een eenvoudig stukje papier.

Hoe eenvoudig kan je het in productie brengen? Waarom kiezen we papier? Hier een voorbeeld van hetzelfde ding op een vinger. Zo ziet het eruit. Papier vind je overal. We hebben dit soort apparaten gemaakt met behulp van servetten, wc-papier, wikkels en allerlei spullen.

De productiecapaciteit is er. Zo kun je veel, heel veel tests in een zeer klein volume samenballen. Ik zal je dadelijk laten zien dat die stapel papier waarschijnlijk zo'n 100.000 tests, iets van die aard, kan bevatten.

En tenslotte, een punt waar je in de ontwikkelde-wereldgeneeskunde niet zo vaak aan denkt: het elimineert scherpe voorwerpen. Dat wil zeggen naalden, prikkende dingen. Als je een bloedmonster van iemand neemt en die iemand zou hepatitis C kunnen hebben, dan wil je geen fout maken en jezelf prikken. Dat wil je gewoon niet. Die dingen kwijtraken is overal een probleem. Hier verbrand je die dingen. Het is al een praktische aanpak om mee te beginnen.

Nu zal je zeggen: als papier zo'n goed idee is, dan zal iemand anders daar ook wel aan hebben gedacht. Het antwoord is, natuurlijk, ja. De helft van jullie, ruwweg, de vrouwen, hebben wel eens een zwangerschapstest ondergaan. De courantste is een apparaat dat lijkt op dat ding daar aan de linkerkant. Het wordt een 'laterale-flow-immunoassay' genoemd. In die bepaalde test vloeit urine met of zonder het hormoon HCG over een stuk papier. Er zijn twee streepjes. Een streepje geeft aan of de test werkt. Als het tweede streepje verschijnt, ben je zwanger.

Dit is een geweldig soort test in een binaire wereld. Het mooie van zwangerschap is dat je ofwel zwanger bent ofwel niet. Je kan niet een beetje zwanger zijn of zoiets. Daar werkt het heel goed. Maar het werkt niet erg goed als je meer kwantitatieve informatie nodig hebt.

Er zijn ook dipsticks. Maar dipsticks zijn voor een ander soort van urine-analyse. Er zijn ontzettend veel kleuren en dat soort dingen. Wat doe je dan in moeilijke omstandigheden? We vroegen ons af of het echt praktisch was om dit soort dingen maken. Dat probleem is nu op een puur technische manier opgelost. We beginnen gewoon met papier. Je laat het door een nieuw soort printer, een wasprinter, lopen. De wasprinter doet iets wat eruit ziet als printen. Hij is aan het printen. Je zet dat erop, je verwarmt het een beetje. De was wordt door het papier geabsorbeerd. En zo eindig je met het apparaat dat je wil.

Die printers kosten nu 800 dollar. We schatten dat als je ze 24 uur per dag laat draaien ze ongeveer 10 miljoen tests per jaar maken. Daarmee is één probleem opgelost. Dat probleem is van de baan. Hier een voorbeeld van dat soort ding. Dat is op een stuk van 20 op 30 cm papier. Het duurt ongeveer twee seconden om het te maken. Dat beschouw ik als afgewerkt. Eén ding is zeer belangrijk, en dat is dat, omdat het een printer is, een kleurenprinter, hij kleuren print. Dat is wat kleurenprinters doen. Ik zal dadelijk laten zien dat dat zeer nuttig is.

De volgende vraag is: wat zou je graag willen meten? Wat zou je graag willen analyseren? Wat je het liefst zou willen analyseren, daar zijn we nog niet aan toe. Het heet "koorts van ongediagnosticeerde oorsprong." Ze komen aan in de kliniek, ze hebben koorts, voelen zich slecht, wat hebben ze? Hebben ze tbc? Aids? Hebben ze een verkoudheid? Het triageprobleem. Een moeilijk probleem, om redenen waar ik niet op door zal gaan. Er zijn ontzettend veel dingen waar je onderscheid tussen wil maken. Je hebt allerlei zaken als aids, hepatitis, malaria, tbc en andere. En eenvoudiger dingen als richtlijnen voor de behandeling.

Zelfs dat is ingewikkelder dan je denkt. Een vriend van mij werkt in transculturele psychiatrie. Hij is geïnteresseerd in de vraag waarom mensen wel of niet hun medicijnen innemen. Bijvoorbeeld Dapsone of iets dergelijks moet je een tijdje blijven innemen. Er is een prachtig verhaal over een gesprek met een dorpeling in India. "Heb je je Dapsone ingenomen?" "Ja". "Heb je het elke dag ingenomen?" "Ja". "Heb je het een maand lang ingenomen?" "Ja". Wat de man bedoelde was dat hij een 30-dagendosis Dapsone die ochtend aan zijn hond had toegediend. (Gelach) Hij vertelde de waarheid. Omdat in een andere cultuur, de hond een surrogaat voor je is, je weet wel, "vandaag", "deze maand", "sinds het regenseizoen," er zijn veel mogelijkheden voor misverstanden. Het probleem hier is om in sommige gevallen te achterhalen hoe om te gaan met zaken die oninteressant lijken, zoals het volhouden van de behandeling.

Hoe ziet een typische test er nu uit? Prik een vinger, neem wat bloed, ongeveer 50 microliter. Dat is ongeveer alles wat je gaat krijgen. Want je kan geen gebruik maken van het gebruikelijke soort systemen. Je kan het niet goed manipuleren, hoewel ik je dadelijk iets zal laten zien. Je neemt je druppel bloed, geen verdere manipulaties. Je plaatst die op een klein apparaat. Het apparaat filtert de bloedcellen, laat het serum door, en je krijgt hieronder een reeks kleuren te zien. Die kleuren wijzen op ziekte of afwezigheid ervan. Maar zelfs dat is ingewikkeld. Omdat voor u of mij de kleuren normaal zouden kunnen lijken. Maar tenslotte lijden we waarschijnlijk allemaal aan een teveel aan onderwijs.

Wat doe je als iets kwantitatieve analyse vereist? De oplossing waar wij en vele andere mensen aan denken, en die op dit moment sterk floreert, de universele oplossing voor alles dezer dagen: te weten de mobiele telefoon. In dit bijzondere geval: een telefoon met camera. Ze zijn overal, zes miljard per maand, in India. Het idee erachter is dat je het apparaat neemt. Je bevochtigt het. Je ontwikkelt de kleur. Je neemt een foto. Het beeld gaat naar een centraal laboratorium. Je hoeft er geen arts naartoe te sturen. Je stuurt er gewoon iemand naartoe die het monster kan nemen. In de kliniek kan een arts, of idealiter een computer in dit geval, de analyse doen. Blijkt echt heel goed te werken, vooral wanneer je kleurprinter de gekleurde streepjes die aangeven hoe de dingen werken, heeft geprint.

Mijn idee voor de gezondheidszorgwerker van de toekomst is geen arts, maar een 18-jarige die anders werkloos zou zijn en die twee dingen heeft. Een rugzak vol met deze tests en een lancet om af en toe een bloedmonster te nemen, en daarbij ook nog een AK47. Dit zijn de dingen die hij nodig heeft om de dag door te komen.

Er is nog een zeer interessant verband hier. Dat gaat over hoe we nuttige informatie over een over het algemeen vrij gebrekkig telefoonsysteem kunnen versturen. Er blijkt al een enorme hoeveelheid informatie beschikbaar te zijn over dat onderwerp, dat is het Marsroverprobleem. Hoe krijg je weer een nauwkeurige weergave van de kleuren op Mars, als je een echt verschrikkelijke bandbreedte hebt om het te doen? Het antwoord is niet ingewikkeld, maar daar wil ik hier niet op ingaan, behalve dan dat de communicatie-systemen om dit te doen, behoorlijk goed begrepen zijn.

Misschien weet je ook niet dat de rekenmogelijkheden van dit ding niet zo veel moeten onderdoen voor die van je desktopcomputer. Dit is een fantastisch apparaat waarvan we de mogelijkheden nog maar pas leren begrijpen. Ik weet niet of het idee van één computer, één kind zinvol is. Hier is de computer van de toekomst. Omdat dit scherm er al is, en het is alomtegenwoordig.

Laat ik jullie nu een beetje vertellen over geavanceerde apparaten. We beginnen met het stellen van een probleempje. Wat je hier ziet, is weer een ander apparaat van een centimeter. De verschillende kleuren zijn verschillende kleurstoffen. Misschien merk je iets opvallends op, iets interessants, namelijk dat de gele lijn lijkt te verdwijnen, door de blauwe lijn gaat, en dan door de rode lijn. Hoe komt dat? Hoe laat je iets stromen door iets anders? Natuurlijk is het antwoord "Dat gaat niet." Je laat het eronder of erover stromen.

Maar nu is de vraag, hoe laat je het eronder en erboven stromen in een stuk papier? De details zijn niet erg belangrijk hier, je breidt het wat uit met verschillende lagen papier, ieder met zijn eigen kleine vloeistofsysteem, en je scheidt ze met stukjes, letterlijk, dubbelzijdige tapijttape, dat spul waarmee je tapijten op de vloer plakt. De vloeistof loopt van de ene laag naar de volgende. Ze verspreidt zich, stroomt door verdere gaten, verdeelt zichzelf.

Wat je rechts onderaan ziet is een voorbeeld waar een enkel monster bloed bovenop werd geplaatst. Het ging naar binnen en verspreidde zich naar deze 16 gaten aan de onderkant, in een stuk papier. Kort gezegd: het ziet eruit als een chip die zo dik is als twee stukken papier. In dit specifieke geval waren we alleen geïnteresseerd in de reproduceerbaarheid ervan. Maar dat is, in principe, de manier waarop je het probleem van de "koorts van onverklaarbare oorsprong" oplost. Elk van deze vlekken wordt dan een test voor een bepaalde set van markers van de ziekte. Dit zal te zijner tijd gaan werken.

Hier een voorbeeld van een iets ingewikkelder apparaat. Daar is de chip. Je bevochtigt een hoek. De vloeistof gaat naar het centrum. Ze verspreidt zich naar deze verschillende putten of gaten en verkleurt daar. Dit alles gedaan met papier en tapijttape. Ik denk dat dit zo goedkoop mogelijk is gedaan.

Ik heb nog twee laatste verhaaltjes over hoe we dit gaan uitwerken. Het eerste. Af en toe is het nodig om bloedcellen te scheiden van serum. Hier doen we dat door het nemen van een monster. We plaatsen het in een centrifuge. Wij laten het draaien en je scheidt de bloedcellen eraf. Geweldig. Wat gebeurt er nu als je niet beschikt over elektriciteit, een centrifuge en wat nog? Wij dachten een tijdje na over dit probleem. Hier zie je de oplossing. Je neemt een eierklopper, die vind je overal. Je zaagt een blad weg. Dan neem je een stukje buis en monteert dat erop. Je doet er het bloed in en laat het draaien. Iemand toont dat daar. Het werkt echt heel goed.

We behandelden de fysica van eierkloppers, zelfuitrichtende buizen en dat soort dingen, en stuurden dat op naar een tijdschrift. We waren er erg trots op, in het bijzonder op de titel: "Eierklopper als Centrifuge." (Gelach) Wij stuurden het op en per kerende post kwam het terug. Ik belde de redacteur en ik zei: "Wat is er aan de hand? Hoe is dit mogelijk?" De redacteur zei, met enorme minachting: "Ik heb het gelezen. We gaan het niet publiceren, omdat we alleen wetenschap publiceren." Dit is een belangrijke kwestie omdat het betekent dat we, als samenleving, moeten nadenken over wat we waarderen. Als dat alleen maar papers en Physical Review Letters zijn hebben we een probleem.

Hier nog een ander voorbeeld. Dit is een kleine spectrofotometer. Hij meet de lichtabsorptie in een monster. Het leuke hiervan is dat je een lichtbron hebt die aan en uit flikkert met een frequentie van 1000 hertz. Een andere lichtbron detecteert dat licht bij 1000 hertz. Je kunt dit systeem dus op klaarlichte dag gebruiken. Het is equivalent met een systeem van ongeveer 100.000 dollar. Het kostte 50 dollar. Waarschijnlijk kunnen we het maken voor 50 cent als we ons erop toeleggen. Waarom doet niemand dat dan? Het antwoord is: "Hoe kan je in een kapitalistisch systeem hiermee geld verdienen?" Interessant probleem.

Laat me eindigen met te zeggen dat we dit als een soort van ingenieurskunstprobleem benaderden. We vroegen ons af wat hier het wetenschappelijk verenigende idee was. We besloten dat we hierover niet zozeer in termen van kosten als in termen van eenvoud moesten denken. Eenvoud is een leuk woord. Je moet erover nadenken wat 'eenvoud' betekent. Ik weet wat het is, maar ik weet niet weet wat het betekent.

Ik was geïnteresseerd genoeg om verschillende groepen mensen bij elkaar te brengen. Laatst nog een paar mensen van MIT. Een van hen was een uitzonderlijk begaafde jongeling. Een van de weinige mensen van wie ik zou denken dat hij een echt genie is. We worstelden een hele dag met het begrip 'eenvoud'. Ik wil jullie het antwoord op dit diep wetenschappelijke denken mededelen. Op het scherm: Wat is eenvoud? "Iets dat je onmogelijk kan verkl...n." (Gelach) In zekere zin krijg je wat je betaalt. Heel hartelijk bedankt. (Gelach)