谷歌X:神秘的疾病早期检测系统揭开面纱
谷歌X实验室的生命科学团队负责人安德鲁·康拉德(Andrew Conrad)正在领导开发一款足以改变现有医疗格局的疾病早期检测技术。 
2014-11-5 16:04:08
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Steven Levy


本文原载Medium,作者Steven Levy,由机器之心的杨子家、赤龙飞、赵赛坡和赵云峰共同翻译。


谷歌X实验室开展两年的生命科学项目一直非常神秘,也极少接受媒体采访。近日,项目负责人安德鲁·康拉德(Andrew Conrad)在接受BACKCHANNEL采访时详细解释了他们这个项目。他们发明了一种纳米颗粒——一个拥有36万个传感器的计算芯片,尺寸相当于红细胞的两千分之一,它们进入人体后能够吸附在癌细胞等微粒上并通过身上的穿戴设备传递回信息,一旦发现癌细胞立即报警。该项目最大的价值是将医疗服务从传统的被动应对变成了主动预防。这看起来好像是要颠覆整个医疗行业。

谷歌X实验室的生命科学团队负责人安德鲁·康拉德(Andrew Conrad)正在领导开发一款足以改变现有医疗格局的疾病早期检测技术。

有时,远大的梦想来自于至微的突破,微小到足以穿梭于人体的血液循环并在危险发生时及时预警。这便是2013年3月拥有功勋般医学研究背景的安德鲁·康拉德加盟谷歌X实验室时所许下的愿景,那时他刚刚结束了他传奇般的医学研究生涯。现在他将向我们展现这些愿景中的种种细节,并表示将这些愿望变为现实的实验正在顺利开展。

基本上,谷歌X正在创造一种疾病早期检测系统,该系统包含着一些可被吸收的、特殊的纳米粒子,这些粒子能够对疾病分子水平的征兆进行定位。一旦纳米粒子发现了这些微小的破坏者(例如癌细胞),它们就会发出信号,而这些信号会被佩戴的手环接收。早期预警意味着潜在的致死疾病可以被尽早发现从而引起重视,使用最低程度的治疗手段就能将其终结。安德鲁·康拉德认为在不久的将来,无论健康与否,所有的人都会服用这种(包含纳米粒子的)药片,佩戴这样的装置。

安德鲁·康拉德的过往成绩使我们不得不严肃看待谷歌X的此项工作。在90年代,这位分子生物学家的成就使我们在血液和血浆捐献时对HIV或其他病毒的检验节省了大量时间和成本。他作为LabCorp的首席科学家一直进行着开创性研究,但在谷歌同谢尔盖·布林及其他人合作一段时间后,他决定去到有充裕的资金支持、先进的谷歌X实验室开展一些更为大胆的研究工作,而这间实验室正是无人驾驶汽车、谷歌眼镜和谷歌气球等项目的诞生地。

安德鲁·康拉德领头的谷歌X实验室生命科学部由超过100名研究人员组成,其中包括顶级化学家、科学家、生物学家以及机器学习和数据挖掘的专家。早些时候,谷歌发表声明,谷歌X实验室生命科学部在主持一个叫做“基线研究(Baseline Study)”的项目,该项目有175名医疗健康专家参与(随后人员规模有所扩大)。研究采用基因和分子技术来分析研究“健康”的含义——这样可以更好的在早期检查出预示着危险的变异。在与斯坦福大学、麻省理工学院以及其他学院的紧密合作下,该项目获得了极大进展。生命科学部的另外一个项目就是将传感器和微电子芯片植入到隐形眼镜中,通过检测泪腺中的葡萄糖含量来诊断糖尿病。

安德鲁·康拉德,一个50岁、留着金色山羊胡子的冲浪狂人,有着一种奇怪的幽默感。他在比较罕见的接受BACKCHANNEL采访时谈及了他的新项目,并对他的团队在谷歌X实验室所做的事情进行了介绍。以下是参访内容(S为采访者,A为安德鲁·康拉德):

S:你宣称有一个雄心勃勃的项目,包括纳米粒子,可穿戴设备以及大数据。这是你加入谷歌X实验室的原因吗?

A:更多的原因是他们希望我这么做。健康医疗是个大问题,谷歌X实验室的主旨就是要解决这样的大问题。谢尔盖·布林对我说:“来谷歌X实验室吧,尝试一些疯狂的事情,做些能有十倍变化的事情。”

S:你拥有传奇般的职业生涯,我想你当初一定有无数种选择。

A:当时我没有失业,也没有担心过这样的问题,事实上我当时过得非常好。但加入谷歌也是一次不折不扣的能够彻底创造一些事物的机会,我从内心里能预见到这一点,所以当时我对做出改变已经完全准备好了。我们知道做这样的事情需要寻求外部合作,但我想谷歌X实验室是一个足够大的舞台让我们去做出一些尝试。这是一个要做出十倍改变的想法,这非常有趣同时也颇具挑战——你如何做到可以产生十倍改变的事情呢?这关乎梦想和抱负。

S:但同时也面临着十倍失败的风险,是吗?

A:是的,但这样的失败并不可怕,因为即便失败我也能快快乐乐的退休,我可以回到夏威夷拼命享受冲浪。所以失败的风险并不能吓到我,何况还有机会做一些真正能影响世界的事情。

S:那么给我们说说这个项目是怎么开始的。

A:在过去的2000年里,医疗服务一直是一种被动的、事物处理型的体系。你生病了以后去看医生,他给你检查一番后开处方或者做一些治疗,之后就让你回家。但是当人们得了重病以后,常常是在病情非常严重的时候才会去找医生。实际上,大多数癌症患者都是在晚期、出现临床症状以后才被确诊。有些患者如果在癌症一期就能被诊断出来,那么治愈的成功率高达90%。但是大多数在四期才诊断出来的病人的治愈成功率仅有5%到10%。我们总是在不恰当的时间确诊癌症,就相当于汽车等到拉缸了才去换机油。你可以把它和汽车、飞机或者其他复杂系统类比,事实证明,事前的保养维护工作毫无疑问是更好的养护模式。但截止到目前为止,由于某些原因,在西方医学中我们没有把注意力放在事前预防上。因此,我们医疗服务的核心理论是存在缺陷的。所以,我们要尝试一下,看能否通过协作将医疗服务系统从被动模式转变为预防模式。

S:你们是如何开始这项研究的?

A:我们需要明白的第一件事就是疾病在发展到出现临床症状之前就已经存在了。它们通常比较轻微、不易察觉,大多数时间里人们不会感到疾病的存在。这就意味着对身体的监测必须是连续的,人们必须进行全天候监测,因为等到人们年度体检或者生病看医生时——有些人十年才去看一次,会失去大量监测到潜在疾病的机会。因此,我们要制造出可以全天候运行的装置来进行监测。因为要持续不断的测量,所以这就要求该设备必须是方便穿戴的,对吧?你能想象你在头上带着一个重达六磅、带有雷达天线的装置,每四秒钟就扎你一次?人民群众是不会答应的。

因此,根本性的解决措施是从上述状态中跳出来——“等到胸部已经出现肿瘤才意识到去看医生”,我们应该采取借助于无创医疗设备进行的关键性生物标记的连续性治疗方案。我们可以通过微型电子监测装置做到这些。我们制造出了一个非常小、但拥有36万个传感器的计算芯片,它的大小和一个亮点差不多。在其他解决措施中,有一种是将纳米颗粒功能化。纳米颗粒是你能够制造出来的最小的工程粒子。自然法则在分子或者细胞层面同样起作用。但在过去的两千年中,我们的医疗诊断还是停留在器官或组织层面。这不是正确的解决之道。想象一下你如何在飞越巴黎上空的飞机上描绘巴黎文化?你只能描述这座城市看上去大概如何,例如那里有座高塔以及有条贯穿市中心的河流。事实上,这种做法是无法帮你了解巴黎文化的。当我们在看待人类身体这个复杂系统时同样如此——你可以大概观察到这个系统,但除非你能够把自己放在发生微观反应的层面上去观察,否则你将无法弄清它的工作原理。

当我们意识到纳米技术、微电子技术、生物特征的持续测量等这些技术已经完全可行时,我们有了这个想法。因此,我们再也不需要去和那些只会说“先抽血化验,三天内如果发现有什么问题我会打电话给你”的医生打交道了,取而代之的将是“喔,我全面检查了过去一年里你的血液情况,看上去你的肾脏和肝脏表现不错,我没有发现有任何肿瘤细胞出现的征兆,非常好,谢谢!”在谷歌,《星际迷航》是我们的指路明灯,因为他们使用一个称作“三录仪(Tricorder)”的计算机——你可以和它对话,它能回答你任何问题。这就是谷歌X真正在寻求的东西。我们希望拥有一台这样的三录仪,有了它,Dr. McCoy(《星际迷航》人物)就可以一边挥舞着一个机器一边喊“啊,你患上了缬草热。”他只需要在患者的脖子上注射几次,患者就会马上好转。我们不会这么做——我们的合作伙伴能够做到。但我们真心希望能够制造出一台“三录仪”。

S:你能描述下你们的系统吗?

A:我们谈论的这个纳米粒子平台本质上的运作机制是这样:你吞下一个填充着纳米颗粒的小胶囊,它被你的身体吸收后进入血液循环系统。这些纳米颗粒比红细胞的两千分之一还要小。它们小到可以渗透到身体各个部位,它们在血液系统和免疫系统中流动,四处游走。它们是非常温和的粒子——已经有很多这样的纳米粒子通过了FDA认证来用于造影和填充,因为它们的主要成分是氧化铁,就像是你每天服的补铁药片一样。它们可以被蛋白质、氨基酸和DNA来修饰,从而更加紧密的绑定到目标物体上。

纳米颗粒非常小,1个普通红血球大小相当于2000个纳米颗粒。纳米颗粒在血液中游走,可与处于循环系统的癌细胞等特定细胞紧密结合。一个穿戴设备可以侦测到纳米颗粒并向医生提供有用的信息。

S:那么,将这些纳米颗粒放入人体后是否会引发一些意想不到的问题?

A:不会。事实上这些纳米颗粒已经测试了很长时间并最终确保安全。这里有个窍门,它在一些较为聪明的细胞的装饰下也会做一些聪明的事情。

S:你说你们需要对这些纳米颗粒进行修饰,我很疑惑你们是如何做到的。

A:这需要通过化学途径来完成。纳米颗粒的主要成分是氧化铁。你可以拿到一批这样的小颗粒,但无法看清楚其中的单独个体,但你可以取一勺这样的颗粒与聚合物混合,这就像给它们穿上了一层外衣。有了这层外衣之后,它们才可以附着在其他物体的表面。

S:这样你们就拥有了基因纳米颗粒,在对它的表层做出修饰之后就可以用来定位各种疾病标签了。

A:是的。你可以用这些纳米颗粒来监测癌细胞等罕见事物,也可以用来测量常见分子的大小。例如,一旦我们在纳米颗粒的表面涂上能够发现钠元素的物质——一种对于肾病治疗非常重要的常见分子。当钠元素接触到纳米颗粒时会导致它发出不同颜色的荧光。当这些纳米颗粒在你的手腕处聚集时,你手腕上佩戴的装置能够探测到这些变化,我们就可以看到它们发光的颜色,这样你就知道钠元素的聚集程度了。再举个例子,你通过手腕上的一块磁铁就能知道那些纳米颗粒是否与癌细胞紧密结合在了一起。这就如同我们把众多信使派往巴黎的大街小巷,最后把它们全部召回至中心集结点,询问它们看到了什么、做过些什么、遇到过什么情况。想象一下,这才是我们试图搞懂法国文化所要采取的方法。

S:当把这些纳米颗粒召唤回来时,它们不会在我的手腕处造成阻塞吗?

A:不会的。两千个这样的纳米颗粒才不过一个红细胞大小。任何时候,你的手腕处都有成百万计的红血球在运动。如果我们把所有部署在胶囊中的纳米颗粒召回至腕部,可能会产生一些轻微影响。同时,它们是非常强大的磁性纳米颗粒,由氧化铁元素组成。当你移除磁性环境后,它们失去磁性从而消失的无影无踪。坦白来说,你每天只需要把它们召回到腕部一个小时,或者每个小时把它们召集到腕部一分钟,这取决于你想要使用的算法。

S:那错误率是怎样的?

A:这得说回到我们的“基线研究(Baseline study)”。我们正在观察数以千计的健康人群,并竭尽所能的试图回答类似“一个健康的人体内应该有多少癌细胞”这样的问题,是零,一个还是十个,我不知道。因为我们体内可能总会存在癌细胞,但我们的免疫系统也会将它们扼杀。所以如果你真的想做些什么,就需要有真实数据作为基础。而“基线研究(Baseline study)”里包含了大量健康人群,以满足此类研究对数据的要求。我们同时也在他们身上装有监测设备,以确保有人生病时我们知道该做些什么。

S:你们现在完成了多少数据采集?

A:我们已经积累了很多数据,多到我们对这件事的可行性充满信心。在谷歌X实验室工厂,我们可以制造出纳米粒子,对它们加以修饰,证明它们在人工智能系统中能够与我们希望的东西良好结合。我们制造了可以抽出人造血液的模型手臂,并使用设备监测这些纳米粒子。我们非常擅长挑选和监测纳米粒子,同时还可以保证它们只与癌细胞连接,而不是其他。还记得我刚才提到的钠实验吗?我说的是真实数据,我们制造出了可以测量小分子的粒子。

S:所以你谈到这个系统的四个组成部分——输出,定位,监测和计算,你是否了解了每个部分的意义?

A:是的,我们有很多具有说服力的的实验来证明这四部分。

S:前几天我跟两个与你共事的人交谈,斯坦福的Dr.Sam Gambhir, MIT的Dr.Robert Langer,他们对这个项目都很感兴趣,但是强调了在输出、监测和其他方面仍然存在很多挑战。他们长期看好,但没有表现出你这样的肯定。

A:无论如何我都不想做出非常肯定的回答。从实验室证明到活体试验还有很长的路要走。在实验室阶段,我们已经尽力了。我们知道大部分都是成功的:我们已经非常擅长纳米粒子的修饰和挑选,而且弄清了它们在磁场中的行为。另外还有很多关于人体的惊奇发现,但离在人体中植入药物还很远。这个实验必须公开进行,在Baseline研究中人们将戴上这些设备才能实验。我相信还要好几年,但不超过10年。

S:你们为什么不在动物身上做实验?

A:这个实验并不需要动物,因为这些药物众所周知。我想我们有很多证据表明这个提议是无误的,至少很可能是对的。但是我们仍然有很多事情要做,所以我们与斯坦福和MIT合作。最后我们还找到了更多可以帮助我们往前迈出一大步的合作伙伴。

S:你们申请专利了吗?

A:是的,专利的主体部分会在下个月左右公开,它描述了我们正在讨论的一些非常细节的问题。

S:这是否可以表明你们会将这些成果商业化?即便这些在谷歌X看来是长远计划,你们会将它对外授权吗?

A:是的,我们的contact lens研究(contact lens是Google X实验室开发的隐形眼镜,可以在佩戴后针对糖尿病眼泪中所含的糖分进行监测,随时让病人掌握自己的血糖水平。)就是这样,授权给了诺华(医药企业),这是双赢。诺华在这方面非常在行,他们进一步开发contact lenses,并配合一些新药和诊断方法将其推向世界。

S:你有没有想过这个过程中会出现一些阻碍?我可以想象出有人说:我不会让谷歌在我的身体里放东西。

A:记住,大多数理性的人都会让医药公司在自己的血液里放东西。你觉得吞药片这件事情不是在放东西吗?

S:但这得区别对待。我头疼了可以吃一片药。我得了癌症就需要化疗。但如果让一个健康的人吃药并对他说“这个会保护你”,那就是另外一回事了。

A:这是个很好的观点,但想象一下第一批参与实验的人们……

S:比如谢尔盖·布林和皮特·泰尔(PayPal创始人,投资人)?

A:(笑),第一批使用这个的可能是乳腺癌患者,她们担心会复发。半数的患者会在5年内遭遇病情复发,但如果可以及早治疗呢?也许你不用8个疗程的化疗,而只需要一个疗程。我敢打赌,会有非常多的乳腺癌患者愿意参与。想象一下,当这些女性使用设备并输出报告,她们就可以提前8个月监测到复发的迹象,相较以往,治疗效果将提高47%。我肯定大部分人会愿意参与。之后便是乳腺癌的高发人群,告诉她们即使你们还没得,也应该参与进来。这也是为什么我们需要寻找合作伙伴,会有非常多优秀的医药公司愿意推广这种理念。我们将成为技术先驱,我们拥有颠覆性的创新技术,并且正在寻找能将它发扬光大的合作伙伴。

S:除了定位和检测已知疾病,这套系统还有什么其他好处吗?

A:如果我们和合作伙伴能够使这些纳米颗粒吸附在肿瘤上,那么我们就会有办法来处理它们,对吧?

S:这符合我们这个项目的发展战略?

A:是的。谷歌X 生命科学项目的任务就是将医疗服务从被动反应变为积极主动。最终,该项目将通过疾病预防来延长人类的平均寿命,使我们能够活的更加长久,也更加健康。

S:听起来好像我们与谷歌另一个健康类企业Calico(谷歌成立的一家研究衰老问题的公司)在目标上有些重合,你跟他们目前存在合作吗?

A:两者之间还是有些细微区别,Calico的目标是追求更长的寿命,通过研究延缓衰老的方法来使我们活的更久。而我们的目标是通过治疗那些威胁生命的疾病来延长大部分人的寿命。

S:从根本上讲,在帮我延长寿命这项工作上,你们先完成前面的任务,后面再由Calico接棒?

A:正是这样!我们帮你把寿命延长到Calico能够参与进来并发挥更大作用的阶段。

S:你们收集到的所有数据是否都要进行汇总,并通过分析来产生新的洞见?

A:当然,想象一下,斯坦福大学的每个病人都要使用这套设备。理解病人对疾病新的表述方式和分子情况很重要,这有助于医生做出与在其他环境中截然不同的结论。如今,内科医生可以拍着胸脯说:“如果你的某个指标有17%的增长,那么会引起实质性的、临床上的效果吗?让我看一下去年所有有过17%增长的病人情况,嗯,没有人出现任何临床上的后遗症,那这可能仅仅是你身体里的一点杂音。”如果所有的问题都能得到这样的答复,那该是多么神奇的事情啊。

S:你在谷歌有两年时间了,你是否觉得在谷歌从事这样一件事情比在其他专业医疗机构有着巨大区别?

A:今年三月时满两年,在第19个月时,我们已经能够雇佣100多位科学家来从事这项事业,我们建立起了定制化实验室,设备正常运行,能够生产出纳米粒子并使其具备某些功能。我们已经与麻省理工、斯坦福和杜克大学建立起了合作关系。我们还与诺华公司这样的合作伙伴共同提出一些创新性方案。我们在基础研究方面也在不断尝试,这将在十年后显现出来。

S:还有一点,你也不需要团队人员耗费大量时间去处理没完没了的融资事务。

A:是的,我不需要。我们的资金非常充足,但我们在支出方面也会像其他人一样谨慎和深思熟虑。我们无需为资金担忧,我们所做的就是要勇敢尝试,失败也不会令我们不悦。人们会对愚蠢的尝试心生反感,但如果这是一次勇敢的、明智的尝试,那么失败就是一种恩赐,因为比起成功,我们往往从失败中学到的东西更多。如果我十年前告诉你我要制造一台能够进行复杂运算的计算机,配备内置无线电、多个传感器,并且尺寸极小,你一定会取笑我。但如果我告诉你我在十年后能造出它,你就不会笑我了。

S:那十年内我将可以把它戴在我的手腕上?

A:是的。

S:真的吗?

A:人们希望如此,我也希望如此。

S:五年呢?

A:我相信我们能找到可以在五年内开始从事这项工作的合作伙伴。我们的确还有几年的路要走。这是一个庞大的项目,任务也如此宏伟——完全预防疾病而不仅仅是找到办法来治疗疾病。就像是我们要用防火材料来建造房子,而不是提供各种灭火器。电子器件的微型化、成型的具有功能的纳米粒子、基础研究成果,这些都将使我们创造出更多的医疗服务设备和发明成为可能。

还有一件事——纳米粒子检测是一个项目,智能隐形眼镜(contact lenses)是一个项目,Baseline研究也是一个项目,这些项目都是我们整体计划的具体表现。其中每件事都极具吸引力并带点科幻色彩,但核心在于我们的研究实际上非常具有系统性和条理性。我们借助有效的机制与大学、医疗服务商、制药公司建立强有力的合作关系。我们明智的引入外部合作,因此我们能够完成一些超出自身能力范围的事情,我们将有机会改变医疗健康这艘航空母舰的航向。他们都是非常认真的参与者。我们深知现在还处于起步阶段,但我们会尽自己所能来酝酿更大的梦想,也会努力工作来为整个体系做出贡献。

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