هناك تحدّ للصحة العالمية يقف أمامنا اليوم، وهو حول كيفية اكتشافنا و تطويرنا للعقاقير حاليا بطريقة مكلفة جدّا، تستغرق وقتا طويلا، و فشلها أكثر من نجاحها. إنّ الأمر لا يعمل كما ينبغي، ممّا يعني أنّ المرضى المحتاجين بإلحاح لعلاجات جديدة لن يجدوا ما يحتاجونه، و أنّ الأمراض لن تعالج. و نحن أيضا ننفق كميات متزايدة من الأموال. على كلّ مليار دولار ننفقه على البحث و التطوير، نحن نحصل على عدد أقل من الأدوية المصادق عليها للتسويق. أمصاريف أكثر أدوية أقل , هممم
We have a global health challenge in our hands today, and that is that the way we currently discover and develop new drugs is too costly, takes far too long, and it fails more often than it succeeds. It really just isn't working, and that means that patients that badly need new therapies are not getting them, and diseases are going untreated. We seem to be spending more and more money. So for every billion dollars we spend in R&D, we're getting less drugs approved into the market. More money, less drugs. Hmm.
إذن ما الخطب هنا؟ حسنا، هناك العديد من العوامل، لكن أعقتد أنّ واحدا من أهمّها هو كون الوسائل التي نمتلكها حاليّا التي نستعملها لاختبار مدى فعالية دواء ما ما إن كان ناجعا أم لا، و ما إن كان آمنا للاستعمال قبل البدأ بتجربته اكلينيكيّا على البشر، تخذلنا. إنّها لا تتنبّؤ بما سيحصل للبشر. و لنا وسيلتان رئيسيتان متاحتان للاستعمال. الخلايا في الصفائح و الاختبار على الحيوانات.
So what's going on here? Well, there's a multitude of factors at play, but I think one of the key factors is that the tools that we currently have available to test whether a drug is going to work, whether it has efficacy, or whether it's going to be safe before we get it into human clinical trials, are failing us. They're not predicting what's going to happen in humans. And we have two main tools available at our disposal. They are cells in dishes and animal testing.
لنتحّدث في البدأ عن الأولى، الخلايا في الصفائح. تعمل الخلايا بطريقة طبيعية في أجسادنا، نقوم باستخراجها من بيئتها الأصلية، نرميها إلى إحدى هذه الأطباق، ثمّ نتوقّع منها العمل. لكنها لا تفعل. إنّها لا تحبّذ تلك البيئة لأنّها لا تشبه أبدا البيئة التي تعيش فيها داخل الجسم.
Now let's talk about the first one, cells in dishes. So, cells are happily functioning in our bodies. We take them and rip them out of their native environment, throw them in one of these dishes, and expect them to work. Guess what. They don't. They don't like that environment because it's nothing like what they have in the body.
ماذا عن التجارب على الحيوانات؟ إنّ الحيوانات تستطيع أن توفّر معلومات مفيدة و هو ما تفعله بالفعل. إنّها تعلّمنا عمّا يحدث داخل الكائن المعقّد. نحن نتعلّم أكثر عن البيولوجيا نفسها. لكن في الغالب، النماذج الحيوانية تفشل في التنبّؤ بما سيحدث عند البشر عند معالجتها بدواء ما.
What about animal testing? Well, animals do and can provide extremely useful information. They teach us about what happens in the complex organism. We learn more about the biology itself. However, more often than not, animal models fail to predict what will happen in humans when they're treated with a particular drug.
إذن فنحن نحتاج وسائل أفضل. نحن نحتاج خلايا بشرية لكن علينا إيجاد طريقة لتركها تعمل بسعادة خارج الجسم.
So we need better tools. We need human cells, but we need to find a way to keep them happy outside the body.
إنّ أجسامنا بيئات حيوية. إنّها في حركة مستمرّة. و خلايانا تختبر ذلك. إنّها تعيش في الأوساط الديناميكية داخل أجسامنا. وهي تتأثّر بقوى ميكانيكية مستمرة. لذا فإن أردنا جعل الخلايا سعيدة خارج الجسم فعلينا أن نصبح مهندسي خلايا. علينا أن نصمّم و نبني و نهندس موطنا خارج الجسم للخلايا.
Our bodies are dynamic environments. We're in constant motion. Our cells experience that. They're in dynamic environments in our body. They're under constant mechanical forces. So if we want to make cells happy outside our bodies, we need to become cell architects. We need to design, build and engineer a home away from home for the cells.
و في معهد فيس، هذا هو تماما ما قمنا به. نحن نسمّيها "عضو على رقاقة". ولي واحدة منها هنا، إنّها جميلة، أليس كذلك؟ الأمر لا يصدّق. هنا تماما في يدي هناك رئة بشريّة حيّة تتنفّس في رقاقة.
And at the Wyss Institute, we've done just that. We call it an organ-on-a-chip. And I have one right here. It's beautiful, isn't it? But it's pretty incredible. Right here in my hand is a breathing, living human lung on a chip.
إنّه أمر أكثر من جميل. وهو أمر يمكنه أن يقوم بعديد الأشياء. لدينا خلايا حيّة في تلك الرقاقة الصّغيرة، الخلايا الموجودة في بيئة ديناميكية تتفاعل مع مختلف أنواع الخلايا. كان هناك عدد كبير من النّاس يحاولون تنمية خلايا في المختبر. لقد حاولوا بشتّى الطّرق. وصلوا إلى درجة محاولة تنمية أعضاء مصغّرة في المختبر. لن نحاول القيام بذلك مجدّدا. نحن فقط بصدد إعادة صنع في هذه الرّقاقة الصّغيرة أصغر وحدة وظيفيّة تمثيليّة للبيوكيمياء، الوظيفة و التّسلسل الميكانيكيّ الذي تعيشه الخلايا داخل أجسامنا. فكيف يعمل هذا؟ دعوني أريكم. نستعمل تقنيات من الصناعة التحويلية لرقاقات الحاسوب لصنع هذه الهياكل ذات المقياس المناسب للخلايا و لبيئتها. لدينا ثلاثة قنوات سوائل. في المركز، هناك غشاء مشاميّ مرن يمكن من خلاله إضافة الخلايا البشريّة من الرئتين مثلا، و أسفلها هناك خلايا الشعيرات الدموية، وهي الخلايا بأوعيتنا الدموية. ثمّ نستطيع بعد ذلك تسليط قوى ميكانيكية على الرقاقة فتجعل الغشاء يتمدّد و يتقلّص، إذن تختبر الخلايا نفس القوى الميكانيكية التي تحصل عندما نتنفّس. و هي تجربة مشابهة لما تعيشه في الجسد. هناك هواء يمرّ عبر القناة العلوية، ثمّ نسكب سائلا يحتوي على مغذّيات إلى القناة الدموية. الرقاقة تبدو جميلة فعلا، لكن ما الذي يمكننا القيام به بواسطتها؟ نستطيع التحصل على وظيفيّة جيّدة داخل هذه الرّقاقات الصغيرة. دعوني أريكم. يمكن مثلا محاكاة العدوى، حيث نضيف خلايا بكتيرية إلى الرئة ثمّ نضيف كريات دم بيضاء بشريّة. الكريات البيضاء هي ما يدافع عن جسمنا ضدّ البكتيريا الدخيلة، و عندما تحسّ بهذا الالتهاب الذي تسبّبت فيه العدوى، سوف تدخل من الدّم إلى الرئة و تبتلع البكتيريا. حسنا سترون الأمر أثناء حدوثه الآن مباشرة من رئة بشريّة في رقاقة. لقد قمنا بتمييز كريات الدم البيضاء حتّى تتمكّنوا من رؤيتها بوضوح، و عندما تكشف عن العدوى، فهي تبدأ بالالتصاق. ثمّ تحاول الذهاب إلى جانب الرئة عبر القناة الدموية. و تستطيعون أن تروا هنا، بامكاننا تصوير خلية الدم البيضاء فرديّا. إنّها تلتصق و تتلوّى طيلة الطريق بين طبقات الخلايا، عبر المسامات و تخرج من الجهة الأخرى من الغشاء و هنا تماما، سوف تقوم بابتلاع البكتيريا الملوّنة بالأخضر. لقد شاهدتهم لتوّكم في هذه الرقاقة الصغيرة إحدى ردات الفعل الرئيسية لجسمنا تجاه العدوى. إنّها طريقة استجابتنا -- استجابة مناعيّة. إنّه أمر مشوّق.
And it's not just beautiful. It can do a tremendous amount of things. We have living cells in that little chip, cells that are in a dynamic environment interacting with different cell types. There's been many people trying to grow cells in the lab. They've tried many different approaches. They've even tried to grow little mini-organs in the lab. We're not trying to do that here. We're simply trying to recreate in this tiny chip the smallest functional unit that represents the biochemistry, the function and the mechanical strain that the cells experience in our bodies. So how does it work? Let me show you. We use techniques from the computer chip manufacturing industry to make these structures at a scale relevant to both the cells and their environment. We have three fluidic channels. In the center, we have a porous, flexible membrane on which we can add human cells from, say, our lungs, and then underneath, they had capillary cells, the cells in our blood vessels. And we can then apply mechanical forces to the chip that stretch and contract the membrane, so the cells experience the same mechanical forces that they did when we breathe. And they experience them how they did in the body. There's air flowing through the top channel, and then we flow a liquid that contains nutrients through the blood channel. Now the chip is really beautiful, but what can we do with it? We can get incredible functionality inside these little chips. Let me show you. We could, for example, mimic infection, where we add bacterial cells into the lung. then we can add human white blood cells. White blood cells are our body's defense against bacterial invaders, and when they sense this inflammation due to infection, they will enter from the blood into the lung and engulf the bacteria. Well now you're going to see this happening live in an actual human lung on a chip. We've labeled the white blood cells so you can see them flowing through, and when they detect that infection, they begin to stick. They stick, and then they try to go into the lung side from blood channel. And you can see here, we can actually visualize a single white blood cell. It sticks, it wiggles its way through between the cell layers, through the pore, comes out on the other side of the membrane, and right there, it's going to engulf the bacteria labeled in green. In that tiny chip, you just witnessed one of the most fundamental responses our body has to an infection. It's the way we respond to -- an immune response. It's pretty exciting.
أرغب في مشاركة هذه الصورة معكم، ليس فقط لجمالها الشديد بل لأنّها تنقل لنا كمية هائلة من المعلومات عمّا تفعله الخلايا داخل الرقاقات. إنّها تخبرنا أنّّ هذه الخلايا من المسارات الهوائية في رئتينا بها هياكل مشابهة للشعر تتوقّع رؤيتها في الرّئات. هذه الهياكل تسمّى أهدابا، وهي قادرة على تحريك المخاط نحو خارج الرئة. نعم، مخاط. مقزّز. لكن المخاط في الواقع هامّ جدّا. المخاط يحبس الجزيئات و الفيروسات و المواد التي قد تسبّب الحساسية و هذه الأهداب الصغيرة تحرّك و تخرج المخاط من الرّئة. في حال تضرّرها، بسبب التّدخين مثلا، لن تتمكّن من العمل كما ينبغي، و لن تتمكّن من اخراج المخاط. وهو ما قد يسبّب الإصابة بأمراض مثل الالتهاب الشّعبيّ الحادّ. الأهداب و إخراج المخاط مرتبطة أيضا بأمراض خطيرة مثل التليف الكيسي. لكن الآن، من خلال القيمة الوظيفية التي نتحصّل عليها من خلال هذه الرّقاقات، نستطيع أن نبدأ بالبحث عن طرق جديدة ممكنة للعلاج.
Now I want to share this picture with you, not just because it's so beautiful, but because it tells us an enormous amount of information about what the cells are doing within the chips. It tells us that these cells from the small airways in our lungs, actually have these hairlike structures that you would expect to see in the lung. These structures are called cilia, and they actually move the mucus out of the lung. Yeah. Mucus. Yuck. But mucus is actually very important. Mucus traps particulates, viruses, potential allergens, and these little cilia move and clear the mucus out. When they get damaged, say, by cigarette smoke for example, they don't work properly, and they can't clear that mucus out. And that can lead to diseases such as bronchitis. Cilia and the clearance of mucus are also involved in awful diseases like cystic fibrosis. But now, with the functionality that we get in these chips, we can begin to look for potential new treatments.
لم يتوقّف الأمر مع الرئة في رقاقة. لدينا أمعاء في رقاقة. يمكنكم رؤية واحدة منها هنا. لقد وضعنا الخلايا المعوية البشرية في رقاقة، و هي في بيئة ذات حركة احتوائية متواصلة، حركة هذا السيلان المتقطّر عبر الخلايا، و نستطيع محاكاة عديد الوظائف التي قد تتوقّع من الأمعاء البشرية القيام بها. نستطيع الآن البدأ في صنع نماذج من الأمراض مثل متلازمة القولون المتهيج. إنّه مرض يصيب عددا كبيرا من الأشخاص. إنّه فعلا موهن، و ليس هناك أيّة علاجات فعالة ضدّه.
We didn't stop with the lung on a chip. We have a gut on a chip. You can see one right here. And we've put intestinal human cells in a gut on a chip, and they're under constant peristaltic motion, this trickling flow through the cells, and we can mimic many of the functions that you actually would expect to see in the human intestine. Now we can begin to create models of diseases such as irritable bowel syndrome. This is a disease that affects a large number of individuals. It's really debilitating, and there aren't really many good treatments for it.
الآن لدينا خط أنابيب كاملا لمختلف رقاقات الأعضاء التي نعمل عليها في مختبراتنا. لكن القوة الحقيقة لهذه التكنولوجيا تكمن في حقيقة كوننا نستطيع وصلها ببعضها البعض عبر السوائل. هناك سائل يعوم حول هذه الخلايا، إذن يمكننا جعل مختلف الرقاقات تتفاعل مع بعضها البعض لتكوين ما نسمّيه بإنسان افتراضي في رقاقة. الآن نحن متحمسون جدا. لن نقوم أبدا بإعادة خلق بشريّ كامل في هذه الرقاقات، لكن هدفنا هو إعادة خلق وظيفيّة كافية تمكّننا من التنبؤ بطريقة أفضل عمّا سيحدث داخل البشر. مثلا يمكننا البدأ في اكتشاف ماذا يحدث عند وضع دواء مثل الدواء الضبابيّ. بالنسبة لمن يعانون منكم من الربو مثلي، عندما تأخذون دواء الاستنشاق نستطيع اكتشاف كيفية عمل ذلك الدواء بالرئتين، كيفية دخوله الجسم و كيف يمكنه التأثير على قلبك مثلا. هل يقوم بتغيير معدل نبضات القلب؟ هل فيه مواد سامة؟ هل يتم تصفيتها عبر الكبد؟ هل يتم استقلابها في الكبد؟ هل يتم إفرازها في الكلى؟ نستطيع البدأ بدراسة الاستجابة الديناميكية للجسد تجاه دواء ما.
Now we have a whole pipeline of different organ chips that we are currently working on in our labs. Now, the true power of this technology, however, really comes from the fact that we can fluidically link them. There's fluid flowing across these cells, so we can begin to interconnect multiple different chips together to form what we call a virtual human on a chip. Now we're really getting excited. We're not going to ever recreate a whole human in these chips, but what our goal is is to be able to recreate sufficient functionality so that we can make better predictions of what's going to happen in humans. For example, now we can begin to explore what happens when we put a drug like an aerosol drug. Those of you like me who have asthma, when you take your inhaler, we can explore how that drug comes into your lungs, how it enters the body, how it might affect, say, your heart. Does it change the beating of your heart? Does it have a toxicity? Does it get cleared by the liver? Is it metabolized in the liver? Is it excreted in your kidneys? We can begin to study the dynamic response of the body to a drug.
هذا من شأنه أن يحدث ثورة و نقلة نوعية ليس فقط للصناعة الصيدلية بل للعديد من الصناعات الأخرى منها صناعة مواد التجميل. نستطيع استعمال الجلد في الرقاقة وهو ما نقوم حاليا بتطويره في المختبر لتجربة ما إن كانت المكونات في هذه المنتجات التي تستعملونها حاليا آمنة لوضعها على بشرتك دون الحاجة للتجربة على الحيوان. نستطيع امتحان سلامة المواد الكيميائية التي نحن عرضة لها بشكل يومي في البيئة التي نعيش فيها، مثل الكيميائيات الموجودة في مواد التنظيف المنزلية العادية. نستطيع أيضا استعمال الأعضاء في الرقاقة للتطبيقات في الارهاب البيولوجي أو التعرض الإشعاعي. كما نستطيع استعمالها لتعلّم المزيد عن الأمراض مثل الإيبولا أو أمراضا قاتلة أخرى كفيروس سارس.
This could really revolutionize and be a game changer for not only the pharmaceutical industry, but a whole host of different industries, including the cosmetics industry. We can potentially use the skin on a chip that we're currently developing in the lab to test whether the ingredients in those products that you're using are actually safe to put on your skin without the need for animal testing. We could test the safety of chemicals that we are exposed to on a daily basis in our environment, such as chemicals in regular household cleaners. We could also use the organs on chips for applications in bioterrorism or radiation exposure. We could use them to learn more about diseases such as ebola or other deadly diseases such as SARS.
الأعضاء في الرقاقات بامكانها أيضا تغيير طريقة القيام بالتجارب الاكلينيكية مستقبلا. حاليا فإنّ المشارك العادي في التجارب الاكلينيكية هو شخص نمطيّ. إذ أنّه يميل لأن يكون أنثى في منتصف العمر. لن تجد الكثير من التجارب الاكلينيكية شارك فيها أطفال و رغم ذلك فإنّنا نعطي الأطفال الأدوية يوميا و المعلومة الوحيدة الآمنة التي نمتلكها عن ذلك الدواء كنّا قد تحصلنا عليها من البالغين. الأطفال ليسوا ببالغين. إنّهم لا يستجيبون بنفس طريقة استجابة البالغين. هناك عوامل أخرى مثل الاختلافات الجينية في الشعوب التي قد تتسّب في جعل شعب كامل عرضة لخطر الاستجابة بطريقة سلبية للدواء. تخيّلوا لو استطعنا أخذ خلايا من مختلف الشعوب وضعها في رقاقات و إحداث شعوب في الرقاقات. هذا يستطيع فعلا أن يغيّر طريقة قيامنا بالتجارب الاكلينيكية. وهذا هو الفريق و الأشخاص الذين يقومون بهذا كلّه. معنا مهندسون و بيولوجيو خلايا وأطباء سريريّين، كلّهم يعملون معا. نحن نرى فعلا أمرا مذهلا في معهد فيس. إنّها فعلا نقطة التقاء التخصّصات حيث البيولوجيا تؤثّر في طريقة تصميمنا، طريقة هندستنا و بناءنا. أنّه أمر حماسيّ.
Organs on chips could also change the way we do clinical trials in the future. Right now, the average participant in a clinical trial is that: average. Tends to be middle aged, tends to be female. You won't find many clinical trials in which children are involved, yet every day, we give children medications, and the only safety data we have on that drug is one that we obtained from adults. Children are not adults. They may not respond in the same way adults do. There are other things like genetic differences in populations that may lead to at-risk populations that are at risk of having an adverse drug reaction. Now imagine if we could take cells from all those different populations, put them on chips, and create populations on a chip. This could really change the way we do clinical trials. And this is the team and the people that are doing this. We have engineers, we have cell biologists, we have clinicians, all working together. We're really seeing something quite incredible at the Wyss Institute. It's really a convergence of disciplines, where biology is influencing the way we design, the way we engineer, the way we build. It's pretty exciting.
نحن نؤسّس لتعاون صناعيّ هام مثل العلاقة التي تجمعنا مع شركة التي لها خبرة في الصناعة الرقمية الضخمة. وهم سيقومون بمساعدتنا على صنع، عوض واحدة من هذه ملايين من الرقاقات حتّى نتمكّن من إعطائها إلى أكبر عدد ممكن من الباحثين. وهذا أمر هامّ جدا لمدى نجاح هذه التكنولوجيا.
We're establishing important industry collaborations such as the one we have with a company that has expertise in large-scale digital manufacturing. They're going to help us make, instead of one of these, millions of these chips, so that we can get them into the hands of as many researchers as possible. And this is key to the potential of that technology.
دعوني أريكم أداتنا. هذه أداة يعمل مهندسونا على نمذجتها حاليّا في المختبر، و هذه الأداة قادرة على توفير التحكم الهندسيّ الذي نحتاجه لوصل 10 أو أكثر من رقاقات الأعضاء ببعضها البعض. وهي تقوم بأمر آخر في غاية الأهمية. إنّها تصنع واجهة استعمال سهلة. بيولوجيّ خلايا مثلي يمكنه القدوم أخذ رقاقة، وضعها في خرطوشة مثل النموذج الأولي هناك، وضع الخرطوشة في الآلة تماما كما تفعل مع أقراص الليزر و يمكنك البدأ. توصلها و تشغّلها. الأمر سهل.
Now let me show you our instrument. This is an instrument that our engineers are actually prototyping right now in the lab, and this instrument is going to give us the engineering controls that we're going to require in order to link 10 or more organ chips together. It does something else that's very important. It creates an easy user interface. So a cell biologist like me can come in, take a chip, put it in a cartridge like the prototype you see there, put the cartridge into the machine just like you would a C.D., and away you go. Plug and play. Easy.
دعونا نتخيّل قليلا عمّا سيكون عليه المستقبل إن قمت بأخذ خلاياك الجذعية و وضعتها في رقاقة أو وضعت خلاياك الجذعية في رقاقة. سوف تصبح الرقاقة خاصة بك.
Now, let's imagine a little bit what the future might look like if I could take your stem cells and put them on a chip, or your stem cells and put them on a chip. It would be a personalized chip just for you.
كلّ منّا هو فرد و كلّ هذه الاختلافات الفردية تعني أنّ بامكاننا الاستجابة بطرق مختلفة للأدوية و بطرق غير متوقّعة أيضا في بعض الأحيان. كنت أعاني من صداع رهيب جدّا منذ سنوات مضت، لم أتمكّن من التّغلب عليه، ففكّرت: "حسنا، سأقوم بتجربة أمر مختلف." لقد تعاطيت دواء الأدفيل. و بعد 15 دقيقة، كنت في طريقي نحو غرفة الطوارئ و أصبت بنوبة ربو حادّة. من الواضح أنّ الأمر لم يكن قاتلا لكن لسوء الحظ بعض هذه الاستجابات السلبية للأدوية يمكن أن تكون مميتة.
Now all of us in here are individuals, and those individual differences mean that we could react very differently and sometimes in unpredictable ways to drugs. I myself, a couple of years back, had a really bad headache, just couldn't shake it, thought, "Well, I'll try something different." I took some Advil. Fifteen minutes later, I was on my way to the emergency room with a full-blown asthma attack. Now, obviously it wasn't fatal, but unfortunately, some of these adverse drug reactions can be fatal.
فكيف نحول دون حدوثها؟ حسنا، يمكننا تخيّل يوم ما يكون لدينا فيه جيرالدين في رقاقة، أو دانيال في رقاقة، أنت في رقاقة.
So how do we prevent them? Well, we could imagine one day having Geraldine on a chip, having Danielle on a chip, having you on a chip.
الطب المخصّص. شكرا لكم.
Personalized medicine. Thank you.
(تصفيق)
(Applause)