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.
יש לפנינו אתגר בריאות גלובלי איתו עלינו להתמודד כיום, והוא שהאופן שבו אנחנו מגלים ומפתחים תרופות חדשות גוזל יותר מדי משאבים, לוקח הרבה יותר מדי זמן ונכשל יותר משהוא מצליח. זה פשוט לא עובד, וזה אומר שחולים שזקוקים נואשות לטיפולים אינם מקבלים אותם, ומחלות אינן מטופלות. נדמה שאנחנו מבזבזים עוד ועוד כסף. על כל מיליארד דולר שאנחנו משקיעים במחקר ופיתוח, אנחנו מקבלים פחות תרופות מאושרות בשוק. יותר כסף, פחות תרופות. מממ...
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.
אז מה קורה כאן? ובכן, יש המון גורמים שמשחקים תפקיד, אבל אני חושבת שהגורם העיקרי הוא שהכלים שיש ברשותנו כרגע שאפשר בעזרתם לבדוק האם תרופה תעבוד, האם היא יעילה, או האם היא תהיה בטוחה לפני שמגיעים לשלב הניסוי הקליני בבני אדם, אינם מצליחים. הם לא מנבאים מה הולך לקרות בבני אדם. ויש לנו שני כלים עיקריים שעומדים לרשותנו. אלו הם תאים בצלחות פטרי וניסויים בבעלי חיים.
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.
אז בואו נדבר על הראשון, תאים בצלחות פטרי. תאים מתפקדים בשמחה בגוף שלנו. אנחנו לוקחים אותם וקורעים אותם החוצה מהסביבה הטבעית שלהם, זורקים אותם לתוך צלחת, ומצפים מהם לעבוד. נחשו מה. הם לא. הם לא אוהבים את הסביבה הזאת בגלל שהיא לא דומה בכלל למה שיש להם בגוף.
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.
מה עם ניסויים בבעלי חיים? ובכן, חיות יכולות ואכן מספקות מידע שימושי להפליא. הם מלמדים אותנו מה קורה באורגניזם המורכב. אנחנו לומדים עוד על הביולוגיה עצמה. אולם, לעתים קרובות מדי, מודלים של בעלי חיים נכשלים בניבוי התוצאות בבני אדם כשהם מטופלים בתרופה מסוימת.
So we need better tools. We need human cells, but we need to find a way to keep them happy outside the body.
אז אנחנו זקוקים לכלים טובים יותר. אנחנו צריכים תאים אנושיים, אבל עלינו למצוא דרך לוודא שיישארו מאושרים מחוץ לגוף.
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.
הגוף שלנו הוא סביבה דינמית. אנחנו נמצאים בתנועה מתמדת. התאים שלנו חווים את זה. הם נמצאים בתוך סביבה דינמית בתוך הגוף שלנו. הם נתונים לכוחות מכניים בלתי פוסקים. אז אם אנחנו רוצים לגרום לתאים לשמוח מחוץ לגוף שלנו, עלינו להפוך לאדריכלי תאים. עלינו לעצב, לבנות ולהנדס בית מחוץ לבית עבור התאים.
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.
במכון ViS, עשינו בדיוק את זה. אנחנו קוראים לזה איבר-על-שבב. ויש לי אחד ממש כאן. יפיפה, לא? אבל זה די מדהים. ממש כאן ביד שלי, נושמת וחיה, יש ריאה אנושית על שבב.
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.
והוא לא רק יפיפה. הוא יכול לעשות כמות עצומה של פעולות. יש לנו תאים חיים בשבב הקטן הזה, תאים שנמצאים בסביבה דינמית מתקשרים עם סוגי תאים שונים. היו אנשים רבים שניסו לגדל תאים במעבדה. הם ניסו גישות שונות רבות. הם אפילו ניסו לגדל מיני-איברים קטנים במעבדה. זה לא מה שאנחנו מנסים לעשות כאן. אנחנו בסה"כ מנסים לשחזר בשבב הקטנטן הזה את היחידה המתפקדת הקטנה ביותר שמייצגת את הביוכימיה, את התפקיד והמתח המכני שהתאים חווים בתוך הגוף שלנו. אז איך זה עובד? אראה לכם. אנחנו משתמשים בטכניקות מתעשיית יצור שבבי המחשב כדי ליצור את המבנים האלו בקנה מידה שרלוונטי גם לתא וגם לסביבתו. יש לנו שלוש תעלות נוזליות. במרכז, יש לנו קרום נקבובי וגמיש עליו אנחנו יכולים להוסיף תאים אנושים מהריאות שלנו, למשל ואז מתחת לזה, יש תאי נימים, התאים המצויים בתוך כלי הדם שלנו. ואנחנו יכולים להפעיל כוחות מכניים על השבב שמותחים ומכווצים את הקרום, כך שהתאים חווים את אותם כוחות מכניים שהם חוו כשאנחנו נושמים. והם חווים אותם באותו האופן שחוו בתוך הגוף. יש אוויר שזורם דרך התעלה העליונה, ואז אנחנו מזרימים נוזל שמכיל חומרי מזון דרך תעלת הדם. עכשיו, השבב הוא יפה מאד, אבל מה אנחנו יכולים לעשות איתו? אנחנו יכולים להשיג פונקציונליות מדהימה בתוך השבבים הקטנים האלו. תנו לי להראות לכם. אפשר, למשל, לדמות זיהום, כשאנחנו מוסיפים תאי בקטריה לתוך הריאה. ואז אפשר להוסיף תאי דם לבנים אנושיים. תאי דם לבנים הם קו ההגנה של הגוף שלנו מול פולשים חיידקיים, וכשהם חשים בדלקת הנגרמת מהזיהום, הם יחדרו מתוך הדם אל הריאה ויבלעו את החיידקים. ובכן עכשיו אתם עומדים לראות את זה קורה בשידור חי בריאה אנושית אמיתית על שבב. סימנו את תאי הדם הלבנים כדי שתוכלו לראות אותם זורמים דרכה, וכשהם מזהים את הזיהום הזה, הם מתחילים להידבק. הם נדבקים, ואז הם מנסים להיכנס אל תוך צד הריאה מערוץ הדם. ואפשר לראות פה, אפשר ממש להבחין בתא דם לבן בודד. הוא נדבק, הוא משתחל בין שכבות התאים, דרך הנקבובית, יוצא בצידו השני של הקרום, וכאן בדיוק, הוא הולך לבלוע את החיידק שמסומן בירוק. בתוך השבב הקטנטן הזה, אתם ראיתם הרגע את אחת מהתגובות הבסיסיות ביותר של הגוף שלנו לזיהום. זו הדרך שאנחנו מגיבים ל -- זו היא תגובה חיסונית. זה די מרגש.
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.
עכשיו אני רוצה לחלוק אתכם את התמונה הזו, לא רק בגלל שהיא יפה, אלא כי היא נותנת לנו כמות עצומה של מידע על מה התאים עושים בתוך השבבים. היא מספרת לנו שהתאים האלו ממעברי האוויר הקטנים בריאות שלנו, בעצם בנויים בצורה דמוית-שיער שהייתם מצפים לראות בתוך הריאה. המבנים האלו קרויים סיליה, ולמעשה הם מוציאים את הליחה אל מחוץ לריאה. כן, ליחה. יאק. אבל ליחה היא בעצם מאד חשובה. ליחה לוכדת חלקיקים, וירוסים, אלרגנים פוטנציאליים, והסיליה הקטנים האלו זזים ומפנים את הליחה החוצה. כשהם ניזוקים, למשל, על ידי עשן סיגריות, הם לא עובדים כראוי, והם לא יכולים לפנות את הליחה. מה שיכול להוביל למחלות כגון בְּרוֹנְכִיטִיס. סיליה והפינוי של הליחה גם מעורבים במחלות איומות כמו סיסטיק פיברוזיס. אבל עכשיו, עם הפונקציונליות שמאפשרים לנו השבבים, אנחנו יכולים להתחיל לחפש טיפולים פוטנציאליים חדשים.
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.
לא עצרנו כשהגענו לריאה על שבב. יש לנו מעי על שבב. אתם יכולים לראות אחד כאן. ושמנו תאי מעי אנושיים בתוך מעי על שבב, והם מצויים בתנועה קבועה המדמה תנועת מעיים, מן זרזיף שזורם דרך התאים, ואנחנו יכולים לדמות כל אחת מהפעולות שהייתם מצפים לראות במעיים האנושיים. עכשיו אנחנו יכולים להתחיל ליצור מודלים של מחלות כמו תסמונת מעי רגיז. זוהי מחלה המשפיעה על מספר גדול של אנשים. היא ממש מתישה, ואין באמת הרבה טיפולים מוצלחים בשבילה.
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.
עכשיו יש לנו רשימה ארוכה של איברים על שבבים שונים שאנחנו עובדים עליהם במעבדות שלנו. עם זאת, הכוח האמתי של הטכנולוגיה הזו, בעצם מגיע מהעובדה שאנחנו יכולים לקשר ביניהם באמצעות נוזלים. יש נוזל שזורם בין התאים האלו, אז אנחנו יכולים להתחיל ליצור קישוריות בין שבבים מרובים כדי ליצור מה שאנחנו קוראים לו אדם וירטואלי על שבב. עכשיו אנחנו ממש מתחילים להתרגש. אנחנו לעולם לא נשחזר אדם שלם בשבבים האלו, אבל המטרה שלנו היא להצליח לשחזר פונקציונליות מספיקה כדי שנוכל לנבא בצורה טובה יותר מה הולך לקרות בבני אדם. למשל, אנחנו יכולים עכשיו להתחיל לחקור מה קורה כששמים תרופה כמו תרופת ארוסול. למי מכם שיש אסטמה כמוני, כשאתם לוקחים שאיפה במשאף אנחנו יכולים לחקור כיצד התרופה הזו נכנסת לתוך הריאות שלך, איך היא נכנסת לתוך הגוף, כיצד היא משפיעה, נניח, על הלב שלך. האם היא משנה את פעימות הלב שלך? האם יש לה רעילות? האם הכבד מנקה אותה? האם היא מעובדת בכבד? האם היא מופרשת בכליות שלך? ביכולתנו להתחיל לבחון את התגובה הדינמית של הגוף לתרופה.
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.
זה יכול ממש להביא למהפכה ולשנות את כללי המשחק לא רק עבור תעשיית התרופות, אלא עבור רצף שלם של תעשיות שונות, כולל תעשיית הקוסמטיקה. אנחנו יכולים באופן תאורטי להשתמש בעור על שבב שאנחנו מפתחים כעת במעבדה כדי לבדוק האם המרכיבים במוצרים האלו שאתם משתמשים בהם, הם באמת בטוחים לשימוש על עורכם בלי הצורך בניסויים על בעלי חיים. אנחנו יכולים לבחון את הבטיחות של כימיקלים שאנחנו חשופים אליהם על בסיס יומיומי בסביבה שלנו, כמו כימיקלים המצויים בתוך חומרי ניקוי ביתיים. אנחנו יכולים גם להשתמש באיברים על השבבים כדי לבחון יישומים בטרור ביולוגי או חשיפה לקרינה. אנחנו יכולים להשתמש בהם כדי ללמוד עוד על מחלות כמו אבולה או מחלות קטלניות אחרות כמו סארס.
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.
איברים על שבבים יכולים אף לשנות את הצורה שבה אנחנו מבצעים ניסויים קליניים בעתיד. כרגע, המשתתף הממוצע בניסוי קליני הוא בדיוק זה: ממוצע. נוטה להיות בגיל הביניים, נוטה להיות אישה. לא תמצאו ניסויים קליניים רבים שבהם מעורבים ילדים, ועם זאת, בכל יום אנחנו מספקים תרופות לילדים, והמידע היחיד שיש לנו על בטיחות התרופה הזו הוא המידע שאספנו ממבוגרים. ילדים אינם מבוגרים. הם עשויים להגיב בצורה אחרת מאשר מבוגרים. יש גורמים אחרים כגון שונות גנטית באוכלוסיות שעשויה לגרום לקיומן של אוכלוסיות סיכון להתפתחות של תגובת נגד לתרופה. עכשיו תדמיינו אם היינו יכולים לקחת תאים מכל אותן אוכלוסיות שונות, להניח אותם על שבבים, וליצור אוכלוסיות על שבב. זה יכול ממש לשנות את הצורה שבה עורכים ניסויים קליניים. וזוהי הקבוצה ואלו האנשים שעושים את זה. יש לנו מהנדסים, יש לנו ביולוגים של התא, יש לנו אנשי רפואה, כולם עובדים יחד. אנחנו רואים משהו באמת מדהים במכון ViS. זהו מקום מפגש של דיסציפלינות, איפה שביולוגיה משפיעה על הצורה שאנו מעצבים, הצורה שאנו מתכננים, הצורה שאנו בונים. זה די מרגש.
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.
אנחנו יוצרים שיתופי פעולה חשובים בין תעשיות כמו זה שיש לנו עם חברה שיש לה מומחיות בייצור דיגיטלי המוני. הם הולכים לעזור לנו ליצור, במקום אחד מאלה, מיליוני שבבים כאלה, ככה שאנחנו יכולים למסור אותם לידיהם של כמה שיותר חוקרים. וזה מפתח לפוטנציאל של הטכנולוגיה הזו.
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.
עכשיו תנו לי להראות לכם את הכלי שלנו. זהו כלי שהמהנדסים שלנו בעצם הופכים לאבטיפוס במעבדה ממש עכשיו, והכלי הזה הולך לספק לנו את השליטה ההנדסית שתידרש לנו כדי לחבר 10 או יותר שבבי איבר. הוא עושה עוד משהו חשוב מאד. הוא יוצר ממשק משתמש נוח. ככה שביולוגית-תא כמוני יכולה לבוא, לקחת שבב, לשים אותו בתוך מחסנית כמו האבטיפוס שאתם רואים פה, לשים את המחסנית בתוך המכונה, כמו שהייתם עושים עם CD, ויצאנו לדרך. חבר והפעל. קלי קלות.
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.
עכשיו, בואו נדמיין קצת איך העתיד יכול להיראות אם יכולתי לקחת את תאי הגזע שלך לשים אותם על שבב, או את תאי הגזע שלך ולשים אותם על שבב. זה היה שבב שעשוי לפי מידותייך בדיוק.
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.
כולנו פה אינדיבידואלים, וההבדלים האינדיבידואליים האלו אומרים שכל אחד מאיתנו יכול להגיב בצורה שונה מאוד ולפעמים באופן בלתי צפוי לתרופות. לי בעצמי היה, לפני כמה שנים, כאב ראש ממש חמור, הוא פשוט לא עבר, אז חשבתי לעצמי, "טוב, אני אנסה משהו אחר." לקחתי אדוויל. חמש עשרה דקות אחר כך, הייתי בדרך לחדר המיון עם התקף אסטמה חמור ביותר. טוב, כמובן שהוא לא היה קטלני, אבל למרבה הצער, חלק מהמקרים של תופעות לוואי לתרופות יכולים להיות קטלניים.
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.
איך איך אנחנו מונעים אותם? ובכן, אנחנו יכולים לדמיין שיום אחד תהיה לנו ג'רלדין על שבב, שתהיה לנו דניאל על שבב, שיהיה לנו אותך על שבב.
Personalized medicine. Thank you.
רפואה מותאמת אישית. תודה לכם.
(Applause)
(מחיאות כפיים)