Držíme dnes ve svých rukou celosvětovou zdravotnickou výzvu. Problém spočívá v tom, že způsob, jakým objevujeme a vyvíjíme nové léky, je příliš drahý, zabere nám spoustu času a častěji končí selháním než úspěchem. Prostě to nefunguje. Znamená to, že se pacientům, kteří to zoufale potřebují, nedostávají nové způsoby léčby a nemoci zůstávají neléčené. Vypadá to, že utrácíme víc a víc peněz. Za každou miliardu dolarů, kterou utratíme za vědu a výzkum, získáváme méně léků schválených pro trh. Více peněz, méně léků. Hmm.
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.
Takže o co tady jde? Ve hře je mnoho faktorů, já ale myslím, že jedním z klíčových faktorů je, že nástroje, které dnes používáme k testování, zda bude lék fungovat, jestli je účinný nebo jestli bude bezpečný, než ho zařadíme do klinických zkoušek na lidech, selhávají. Nedá se předem určit, jaké účinky bude mít lék na lidi. K dispozici máme dva hlavní nástroje. Těmi nástroji jsou buňky v miskách a testování na zvířatech.
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.
Nejdřív se pojďme bavit o prvním způsobu, o buňkách v misce. Buňky si spokojeně pracují v našich tělech. My je vezmeme a vytrhneme je z jejich přirozeného prostředí, vhodíme je do misky a očekáváme od nich, že budou fungovat. A hádejte, co se stane. Nefungují. Nelíbí se jim v novém prostředí, protože nemá nic společného s tím jak se měly v těle.
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.
A co testování na zvířatech? Zvířata mohou být a jsou zdrojem velmi užitečných informací. Učí nás o tom, co probíhá ve složitých organismech. Dozvídáme se víc o samotné biologii. Avšak častěji se stane, že testy na zvířatech neodpovídají na otázku, jaký účinek bude mít na lidi léčba tím kterým lékem.
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.
Takže potřebujeme lepší nástroje. Potřebujeme lidské buňky, ale musíme najít způsob, jak je udržet spokojené mimo tělo.
So we need better tools. We need human cells, but we need to find a way to keep them happy outside the body.
Naše tělo je dynamické prostředí. Jsme neustále v pohybu. A naše buňky jsou na to zvyklé. Jsou součástí dynamického prostředí v našem těle. Jsou pod neustálým tlakem mechanických sil. Takže pokud chceme, aby buňky žily spokojeně i mimo naše těla, musíme se stát buněčnými architekty. Musíme navrhnout, vybudovat a zařídit buňkám domov jinde.
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.
Ve Wyss Institute jsme právě to provedli. Říkáme tomu orgány na čipu. Jeden tady mám. Je nádherný, že? A je neuvěřitelný. Zde držím dýchací orgán, živé lidské plíce na čipu.
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.
Nejsou jen nádherné. Zvládájí ohromné množství věcí. Na tom malém čipu máme živé buňky, které jsou v dynamickém prostředí a vzájemně na sebe působí s jinými typy buněk. Mnozí už se pokoušeli pěstovat buňky v laboratoři. Zkoušeli mnoho odlišných přístupů. Dokonce se v laboratoři pokoušeli vypěstovat malé mini-orgány. My na to jdeme jinak. Jednoduše na tom malinkém čipu oživíme nejmenší funkční jednotku, která představuje biochemii, funkce a mechanické zatížení, jaké buňky znají z našeho těla. Jak to funguje? Ukážu vám to. Používáme techniky známé z výroby počítačových čipů, abychom tyto struktury vyrobili v měřítku, odpovídajícímu jak buňkám, tak jejich prostředí. Máme tři fluidní kanály. Uprostřed je porézní, pružná membrána, na kterou můžeme nanášet buňky třeba z našich plic a vespod jsou kapilární buňky odebrané z našich cév. Na čip pak působíme mechanickými silami, které napínají a stlačují membránu, takže buňky mají dojem, že na ně působí stejné mechanické zatížení, jako při dýchání. Mají stejné podmínky jako uvnitř těla. Horním kanálem proudí vzduch a krevní kanál přivádí kapalinu, která obsahuje živiny. Čip je opravdu překrásný, ale co se s tím vším dá dělat? Do těchto malých čipů dokážeme vměstnat neuvěřitelné funkce. Předvedu vám to. Například umíme napodobit infekci, pokud k plicním buňkám přidáme buňky bakterií. Pak můžeme přidat bílé krvinky. Bílé krvinky chrání naše tělo proti bakteriálním vetřelcům a když zavětří infekční zánět, prostoupí krví do plic a pohltí bakterie. Teď uvidíte naživo, jak to probíhá ve skutečných plicích, umístěných na čipu. Bílé krvinky jsme označili, aby bylo vidět, jak proudí kolem a když zaznamenají infekci, začnou se zachytávat. Přichytí se a pak zkoušejí krevním kanálem prostoupit do plic. Tady vidíte, že vlastně můžeme zobrazit cestu jedné bílé krvinky. Zachytí se, klestí si cestu mezi vrstvami buněk, prochází pórem, vychází na druhé straně membrány a tam se chystá pohltit bakterii označenou zeleně. V prostředí malinkatého čipu jste se právě stali svědky jedné z nejzákladnějších reakcí, kterou naše tělo odolává infekci. Je to způsob, jak reagujeme na -- imunitní odezvy. Je to docela vzrušující.
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.
Nyní bych vám chtěla ukázat tenhle obrázek, nejen protože je tak nádherný, ale protože z něho získáváme obrovské množství informací o tom, jak se buňkám daří uvnitř čipů. Ukazuje, že buňky z malých dýchacích cest v plicích, mají vlastně tuhle vlasovitou podobu, která je pro ně příznačná. Nazýváme je řasinky a ty přesouvají hlen z plic ven. Ano. Hlen. Fuj. Ale hlen je vlastně velmi důležitý. Zachytává částice, viry, potenciální alergeny a tyhle malé řasinky stěhují hlen a odstraňují ho. Když jsou poškozené, dejme tomu cigaretovým kouřem, nefungují správně a hlen neodstraňují. A to může vést k nemocem jako je zánět průdušek. Řasinky a likvidace hlenu se také podílí na hrozných nemocech jako je cystická fibróza. Ale teď, s funkcemi, které jsme vpravili do čipů, se můžeme porozhlédnout po potenciální nové léčbě.
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.
Plíce na čipu jsou jenom začátek. Na čipu máme střevo. Tady ho můžete vidět. Umístili jsme sem buňky z lidského střeva, které jsou v neustálém peristaltickém pohybu, tímto proudem prosakujícím buňkami a my můžeme napodobit spoustu funkcí, které jsou u lidského střeva obvyklé. Můžeme začít modelovat nemoci jako je syndrom dráždivého tračníku. Je to nemoc, která se dotýká velkého počtu osob. Je opravdu vysilující a neexistuje na ni mnoho vhodných léků.
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.
Máme celý řetězec čipů, vytvořený z různých orgánů, na kterých v našich laboratořích pracujeme. Avšak skutečná síla této technologie vychází ze skutečnosti, že můžeme kanály propojovat. Přes buňky proudí kapalina, takže můžeme začít propojovat různé čipy dohromady a vytvářet tak něco, čemu říkáme virtuální člověk na čipu. Jsme z toho opravdu nadšení. Nechystáme se rekonstruovat z čipů celého člověka, ale naším cílem je umět reprodukovat postačující funkcionalitu, abychom mohli lépe předvídat, co se bude dít v lidském těle. Například odteď můžeme zkoumat, co se děje, když podáváme lék v podobě aerosolu. Když ti z vás, kteří trpí astmatem jako já, použijí inhalátor, můžeme zkoumat, jak lék vniká do plic, jak vstupuje do těla a jaký třeba může mít vliv na vaše srdce. Ovlivní lék tlukot vašeho srdce? Je toxický? Dokážou ho játra odbourat? Je metabolizovaný v játrech? Vyloučí ho ledviny? Můžeme začít studovat dynamické reakce těla na účinky léku.
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.
To by mohlo opravdu způsobit revoluci a dramaticky změnit budoucnost nejen ve farmaceutickém průmyslu, ale také v celé řadě rozličných odvětví, včetně kosmetického průmyslu. Na čip můžeme třeba umístit kůži, kterou právě vyvíjíme v laboratoři, abychom otestovali, jestli jsou složky produktu, kterým jste se právě natřeli, bezpečné pro vaši kůži, aniž by je bylo třeba testovat na zvířatech. Mohli bychom testovat bezpečnost chemikálií, kterým jsme každý den vystaveni v našem životním prostředí, třeba takových, jako jsou běžné čistící prostředky. Mohli bychom také na čipy umístit orgány, na které se zaměřují bioteroristé nebo jež jsou vystavovány radiaci. Mohli bychom je použít k rozpoznání nemocí jako je ebola nebo jiných smrtelných nemocí, jako je SARS.
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.
Orgány na čipech by mohly v budoucnu změnit způsob provádění klinických testů. Dneska je typický účastník klinických testů: průměrný. Bývá to žena středního věku. Nenašli byste mnoho takových testů, do kterých jsou zapojené děti, zatím dáváme každý den dětem léky a jediná bezpečná data, která o nich známe, jsou ta, která jsme získali testováním dospělých. Děti nejsou dospělí. Děti nereagují na léky stejně jako dospělí. Jsou i jiné věci, jako třeba genetické rozdíly mezi populacemi, které mohou vést k jejich ohrožení vlivem nežádoucích reakcí na léky. Představte si, že bychom mohli vzít buňky různým věkovým skupinám lidí, umístit je na čipy a vytvořit populační skupiny lidí na čipech. To by opravdu mohlo změnit způsob provádění klinických testů. A tohle je tým a lidé okolo, kteří se tím zabývají. Máme inženýry, máme buněčné biology, máme klinické lékaře, kteří všichni spolupracují. Ve Wyss Institute pozorujeme něco zcela neuvěřitelného. Pozorujeme, jak dochází ke sbližování oborů, kdy biologie ovlivňuje způsob, jakým navrhujeme, konstruujeme, stavíme. Je to docela vzrušující.
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.
Navazujeme důležité vazby s průmyslem, například spolupracujeme se společností, která má zkušenosti s digitální výrobou ve velkém měřítku. Pomohou nám s výrobou ne jednoho, ale miliónů těchto čipů, aby se dostaly do rukou co největšímu počtu výzkumníků. A to je klíč k otevření potenciálu této technologie.
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.
Dovolte mi, abych vám předvedla naše zařízení. Je to prototyp, který naši inženýři konstruují v laboratoři a tento přístroj nám poskytuje ovládací prvky, které budeme potřebovat, abychom propojili 10 nebo i více orgánů na čipech dohromady. Má něco velmi důležitého. Nabízí jednoduché uživatelské rozhraní. Takkže buněční biologové, jako jsem já, mohou přijít, vzít čip, umístit ho do kazety, jako tento prototyp, který zde vidíte, kazetu vložím do přístroje jako do CD přehrávače a můžu jít. Zapojím a funguje. Snadné.
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.
Pojďme se spolu zasnít o tom, co by to znamenalo pro budoucnost, kdybych mohla vzít vaše kmenové buňky a dát je na čip nebo třeba ty vaše a dát je na čip. Byl by to čip přizpůsobený konkrétně vám.
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.
Všichni zde jsme různí jedinci a rozdíly mezi jedinci znamenají, že budeme na léky reagovat rozdílně a někdy i neočekávaně. Já sama jsem před pár lety měla opravdu hrozné bolesti hlavy, nemohla jsem se jí zbavit a říkala jsem si „Zkusím něco jiného.“ Vzala jsem si nějaký Advil. Patnáct minut nato už mě vezli na pohotovost s plně rozvinutým astmatickým záchvatem. Nebylo to samozřejmě smrtelné, ale naneštěstí některá z těchto reakcí na nežádoucí účinky léku smrtelná být může.
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.
Jak jim tedy můžeme předcházet? Představte si, že jednou budeme mít Geraldinu na čipu, Danielu na čipu, že vy budete na čipu.
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.
Představte si individuální medicínu. Děkuji.
Personalized medicine. Thank you.
(Potlesk)
(Applause)