Wir stehen heute in der Medizin vor einer globalen Herausforderung: Die Forschung und Entwicklung neuer Medikamente ist zu kostspielig, zu zeitaufwendig und führt häufig zu nichts. Das System funktioniert einfach nicht. In der Folge bleiben Patienten dringend notwendige neue Therapien versagt. Ihre Krankheiten können nicht behandelt werden. Trotzdem geben wir anscheinend immer mehr Geld aus. Pro Milliarde, die wir in Forschung und Entwicklung stecken, werden heute weniger neue Medikamente zugelassen. Also mehr Geld für weniger Medikamente. Hm!
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.
Was ist da los? Hier spielen viele Faktoren eine Rolle. Einer der wichtigsten, denke ich, sind unsere derzeitigen Testinstrumente. Tests sollen zeigen, ob ein Arzneimittel funktioniert. Sie prüfen, ob es wirksam und sicher ist, bevor die klinische Prüfung am Menschen beginnt. Diese Tests versagen. Sie sagen nicht vorher, was im Menschen geschehen wird. Für die Tests stehen uns im Wesentlichen zwei Instrumente zur Verfügung: Zellen in der Petrischale und Tierversuche.
More money, less drugs. Hmm. 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.
Beschäftigen wir uns zuerst mit den Zellen in der Petrischale.
They are cells in dishes and animal testing.
Solange die Zellen im Körper sind, funktionieren sie bestens. Reißen wir sie aber aus dieser Umgebung heraus, geben sie in eine Petrischale und erwarten, dass sie funktionieren -- was dann? Es klappt nicht. Sie mögen die neue Umgebung nicht. Denn sie ist völlig anders als der menschliche Körper.
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
Und wie steht es mit den Tierversuchen?
what they have in the body.
Tiere liefern uns äußerst nützliche Informationen. Sie vermitteln uns, was in einem komplexen Organismus geschieht. Wir erhalten einen besseren Einblick in biologische Vorgänge. Allerdings sagt das Tiermodell oftmals nicht vorher, was in einem Menschen abläuft, wenn er ein bestimmtes Arzneimittel einnimmt.
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.
Darum brauchen wir bessere Testinstrumente. Wir brauchen menschliche Zellen. Und wir brauchen Möglichkeiten, sie außerhalb des Körpers gedeihen zu lassen.
So we need better tools. We need human cells, but we need to find a way to keep them happy outside the body.
Unser Körper ist eine dynamische Umgebung. Wir sind immer in Bewegung. Und daran haben unsere Zellen teil. Der Körper bildet ein dynamisches Umfeld. Auf die Zellen wirken ständig mechanische Kräfte ein. Wenn Zellen außerhalb des Körpers gedeihen sollen, müssen wir zu Zellarchitekten werden. Wir müssen für die Zellen eine "Wohlfühlumgebung" entwickeln und ihnen einen angenehmen "Zweitwohnsitz" bauen.
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.
Genau das haben wir am Wyss Institute gemacht. Das Ergebnis nennen wir "Organchip". Hier habe ich einen. Toll, oder? Und ziemlich unglaublich. In meiner Hand halte ich eine lebendige, atmende menschliche Lunge auf einem Chip.
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.
Das ist nicht nur schön, sondern es birgt auch enorme Möglichkeiten. In diesem kleinen Chip haben wir lebende Zellen. Sie interagieren in einer dynamischen Umgebung mit verschiedenen Zelltypen. Viele Forscher haben versucht, im Labor Zellen zu züchten. Sie verfolgten unterschiedlichste Ansätze und züchteten sogar kleine Mini-Organe. Uns geht es um etwas anderes. Wir wollen auf dem Chip ein kleinstmögliches Funktionselement bauen, mit der biochemischen Umgebung, den Funktionen und mechanischen Beanspruchungen, die den Zellen vom Körper her vertraut sind. Wie das möglich ist, zeige ich Ihnen jetzt. Wir nutzen Techniken aus der Computerchip-Fertigung und stellen Chips in einer Größe her, die für Zellen und ihre Umgebung sinnvoll ist. Es gibt drei Strömungskanäle. In der Mitte befindet sich eine flexible poröse Membran, auf die wir menschliche Zellen aufbringen können, z. B. aus der Lunge. Darunter befinden sich Kapillarzellen, also Zellen aus unseren Blutgefäßen. Dann lassen wir auf den Chip mechanische Kräfte einwirken. Sie dehnen die Membran und ziehen sie zusammen. Dadurch unterliegen die Zellen denselben mechanischen Kräften wie beim Atmen. Sie erleben diese Kräfte genauso wie im Körper. Durch den oberen Kanal fließt Luft und durch den Blutkanal leiten wir eine Flüssigkeit mit Nährstoffen. Der Chip ist wunderbar. Aber wozu ist er eigentlich gut? Diese kleinen Chips leisten wirklich Unglaubliches. Sehen Sie sich das einmal an. Wir ahmen z. B. eine Infektion nach und bringen in die Lunge Bakterienzellen und menschliche weiße Blutkörperchen ein. Weiße Blutkörperchen sind die Körperabwehr gegen eindringende Bakterien. Wenn sie eine infektionsbedingte Entzündung erkennen, treten sie vom Blut in die Lunge über und umschließen die Bakterien. Sie erleben dieses Geschehen gleich live mit -- in einer menschlichen Lunge auf einem Chip. Damit Sie die weißen Blutkörperchen sehen können, haben wir sie markiert. Wenn die Blutkörperchen die Infektion erkennen, heften sie sich an. Sie versuchen, vom Blutkanal aus auf die Seite der Lunge zu gelangen. Wir können ein einzelnes weißes Blutkörperchen sichtbar machen. Es heftet sich an, es windet sich durch Zellschichten und die Pore hindurch. Dann kommt es auf der anderen Membranseite heraus. Da frisst es die grün markierte Bakterie. Durch diesen winzigen Chip wurden Sie gerade zu Augenzeugen einer der grundlegendsten Reaktionen des Körpers auf eine Infektion. Das ist unsere Immunreaktion. Sehr spannend!
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.
Ich möchte Ihnen jetzt dieses Bild zeigen. Nicht nur, weil es schön ist. Es sagt auch sehr viel darüber aus, was die Zellen in den Chips eigentlich tun. Wir sehen hier Zellen aus den feineren Verzweigungen der Lungen. Sie besitzen haarförmige Strukturen, wie sie in der Lunge zu erwarten sind. Das sind die Flimmerhärchen, die Schleim aus der Lunge hinausbefördern. Genau. Schleim - igitt! Aber Schleim ist sehr wichtig. Schleim fängt kleine Teilchen, Viren und potenzielle Allergene ein und die kleinen Flimmerhärchen transportieren den Schleim ab. Werden sie z. B. durch Zigarettenrauch geschädigt, funktionieren sie nicht gut. Dann kann der Schleim den Körper nicht verlassen. Erkrankungen wie Bronchitis können die Folge sein. Die Flimmerhärchen und der Abtransport von Schleim spielen auch bei schweren Krankheiten wie Mukoviszidose eine Rolle. Doch jetzt -- dank der Funktionen, die in diesen Chips stecken -- können wir mögliche neue Behandlungen erforschen.
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
Der Lungenchip hat uns aber nicht genügt. Es gibt auch einen Darmchip. Hier sehen Sie einen. In den Darmchip haben wir menschliche Darmzellen gesteckt. Wie im Darm unterliegen sie einer ständigen Bewegung, die langsam durch die Zellen fließt. Wir können viele Funktionen des menschlichen Darms nachahmen. Jetzt können wir Modelle von Krankheiten entwickeln, z. B. ein Modell des Reizdarmsyndroms. Von dieser Krankheit sind sehr viele Menschen betroffen. Sie vermindert die Lebensqualität erheblich. Doch es gibt kaum gute Therapien.
for potential new treatments. 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.
Aktuell arbeiten wir in unseren Laboren an vielen unterschiedlichen Organchips. Die eigentliche Stärke dieser Technologie liegt darin, dass wir die Chips miteinander verbinden können. Durch die Zellen fließt eine Flüssigkeit und verbindet unterschiedliche Chips zu einem sogenannten virtuellen Menschen auf einem Chip. Jetzt wird es richtig spannend! Wir werden auf den Chips nie einen ganzen Menschen nachbauen. Wir haben nur das Ziel, genügend Funktionen des Organismus nachzubilden, um besser vorhersagen zu können, was im Menschen abläuft. Damit können wir z. B. die Wirkung von Sprühmedikamenten erforschen. Das betrifft Menschen wie mich, die ein Asthmaspray inhalieren. Wir können erforschen, wie es in die Lunge gelangt, wie es in den Körper übertritt und wie es sich z. B. auf das Herz auswirkt. Verändert es den Herzschlag? Ist es toxisch? Wird es von der Leber abgebaut? Wird es in der Leber verstoffwechselt? Wird es über die Nieren ausgeschieden? Wir können die dynamischen Reaktionen des Körpers auf Medikamente erforschen.
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.
Dies könnte wirklich eine Revolution auslösen. Es würde nicht nur die Pharmaindustrie verändern. Auch viele weitere Branchen würden profitieren, z. B. die Kosmetikbranche. Wir entwickeln im Labor gerade einen Hautchip, mit dem wir prüfen können, ob Sie die Inhaltsstoffe Ihrer Produkten gefahrlos auf Ihre Haut auftragen können. Ganz ohne Tierversuche. Wir könnten testen, wie sicher die Chemikalien sind, denen wir in der Umwelt täglich ausgesetzt sind, z. B. Chemikalien handelsüblicher Haushaltsreiniger. Weitere Einsatzgebiete der Organchips wären etwa Bioterrorismus oder Strahlenbelastung. Wir könnten damit ein besseres Verständnis tödlicher Krankheiten wie Ebola und SARS gewinnen.
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.
Organchips könnten die Durchführung klinischer Studien verändern. Momentan sind die durchschnittlichen Teilnehmer klinischer Studien genau das: durchschnittlich. Vorwiegend mittleren Alters und vorwiegend weiblich. Sie finden nur wenige klinische Studien an Kindern. Trotzdem geben wir Kindern täglich Medikamente, obwohl die einzigen Daten zur Sicherheit der Arznei von Erwachsenen stammen. Kinder sind nicht erwachsen. Sie können anders reagieren als Erwachsene. Weitere Risikofaktoren sind genetische Unterschiede in der Bevölkerung. Darum können manche Bevölkerungsgruppen stärker von schädlichen Nebenwirkungen betroffen sein. Stellen Sie sich vor, mit den Zellen der verschiedenen Bevölkerungsgruppen würden wir Chips nach Bevölkerungsgruppe herstellen. Das könnte die Durchführung klinischer Studien dramatisch verändern. Hier sehen Sie das Mitarbeiterteam. Unsere Ingenieure, Zellbiologen und Klinikärzte arbeiten zusammen. Hier am Wyss Institute sehen wir etwas Wunderbares -- das Zusammenwirken verschiedener Disziplinen. Die Biologie beeinflusst das Design und die Entwicklung. Das ist sehr spannend.
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.
Wir bauen Kooperationen mit der Branche auf, z. B. mit einem Unternehmen, das Know-how in digitaler Massenfertigung beisteuert. Diese Firma wird uns helfen, statt eines solchen Chips Millionen herzustellen, damit wir sie möglichst vielen Forschern an die Hand geben können. Nur so können wir das Potenzial dieser Technik voll ausschöpfen.
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.
Jetzt möchte ich Ihnen unser Testinstrument zeigen. Zurzeit bauen die Ingenieure einen Prototyp dieses Instruments im Labor. Das Gerät bietet uns Steuerungsmöglichkeiten. Die brauchen wir, um 10 oder mehr Organchips miteinander zu verbinden. Außerdem leistet es noch etwas sehr Wichtiges: Es ist einfach zu bedienen. Zellbiologen wie ich nehmen einfach einen Chip und geben ihn in eine Kartusche, wie bei dem Prototyp im Bild dort. Ich schiebe die Kartusche ein, wie eine CD, und schon geht's los. Plug-and-play. Ganz einfach.
And this is key to the potential of that technology. 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.
Malen wir uns damit einmal die Zukunft aus. Könnte ich Ihre Stammzellen nehmen und auf einen Chip bannen, oder auch Ihre Stammzellen, dann wäre das ein Chip für Sie ganz persönlich.
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.
Wir alle in diesem Raum sind Individuen. Und wegen unserer Individualität können wir völlig unterschiedlich und unvorhersehbar auf Medikamente reagieren. Ich selbst hatte vor einigen Jahren unerträgliche Kopfschmerzen. Also probierte ich etwas Neues aus und nahm Advil [Ibuprofen]. 15 Min. später war ich mit einem schweren Asthmaanfall unterwegs zur Notaufnahme. Offensichtlich war es nicht tödlich. Doch manche Nebenwirkungen von Medikamenten können tatsächlich zum Tod führen.
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.
Wie können wir das vermeiden? Vielleicht gibt es eines Tages einen Geraldine-Chip, einen Danielle-Chip und einen Chip für Sie.
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.
Individualisierte Medizin. Vielen Dank.
Personalized medicine. Thank you.
(Applaus)
(Applause)