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.
Az egészségügy egészét érintő probléma napjainkban, hogy az a módszer, amellyel az új gyógyszerek felfedezése és kifejlesztése folyik, túl drága és hosszadalmas, és gyakrabban végződik kudarccal, mint sikerrel. Igazából nem működik a dolog, tehát a páciensek, akik újfajta terápiát igényelnének, nem kapják meg azt, és betegségük kezeletlen marad. Úgy tűnik, egyre több és több pénzt költünk. És a K+F-re fordított milliárdokért mind kevesebb jóváhagyott gyógyszer kerül piacra. Több pénz, kevesebb gyógyszer. 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. They are cells in dishes and animal testing.
Mi történik itt? Nos, rengeteg tényező játszik közre, de azt hiszem, az egyik kulcstényező az, hogy a jelenlegi eszközeink, mellyel letesztelhetnénk, hogy egy szer hatni fog-e, hatékony lesz-e, és biztonságos lesz-e, mielőtt embereken próbálnák ki egy klinikán, cserben hagynak minket. Nem árulják el, hogy mi történik majd az emberekkel. Két fő eszköz áll a rendelkezésünkre. Sejtek Petri-csészében és állattesztek.
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.
Kezdjük az elsővel: sejtek a Petri-csészében. A sejtek vígan működnek a testünkben. Fogjuk őket, és kiszakítjuk a természetes környezetükből, belelökjük őket egy ilyen tálkába, és arra számítunk, hogy működni fognak. Tippeljenek. Nem fognak. Nem szeretik ezt a környezetet, mert köze sincs ahhoz, amilyen a testünk volt számukra.
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.
És mi van az állattesztekkel? Nos, az állatok révén rendkívül fontos információhoz jutunk. Megtudjuk azt, mi történik a komplex organizmusban. Új ismereteket szerzünk magáról a biológiáról. Azonban az esetek többségében az állatkísérletekből nem tudjuk meg, mi fog történni az emberben, ha az adott szerrel kezeljük.
So we need better tools. We need human cells, but we need to find a way to keep them happy outside the body.
Tehát jobb eszközök kellenek. Emberi sejtekre van szükségünk, de valahogy el kell érnünk, hogy jól érezzék magukat a testünkön kívül is.
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.
A testünk dinamikus környezet. Állandó mozgásban vagyunk. A sejtjeink érzik ezt. Dinamikus környezetben vannak a testünkben. Mechanikai erők hatása alatt vannak folyton. Ha tehát azt akarjuk, hogy jól érezzék magukat a testünkön kívül, akkor sejtépítészekké kell válnunk. Meg kell terveznünk és fel kell építenünk számukra egy új otthont, távol az otthonuktól.
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.
És mi, a Wyss Intézetben, pontosan ezt tettük. Ezt hívjuk szervcsipnek. Van is nálam egy. Gyönyörű nem? És hihetetlen is. Itt tartok a tenyeremen egy élő, lélegző emberi tüdőt egy csipen.
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.
És nemcsak gyönyörű. Elképesztően sokat is tud. Ezen a kis csipen élő sejtek vannak, sejtek, egy dinamikus környezetben, kölcsönhatásban más sejttípusokkal. Eddig már sokan megpróbálták a sejtek laboratóriumi szaporítását. Sokfajta megközelítést alkalmaztak. Még miniszerveket is próbáltak laborban növeszteni. Mi nem ezzel próbálkozunk. Egyszerűen csak újjáteremtjük ezen az apró csipen azt a legkisebb funkcionális egységet, amely tükrözi azt a biokémiát, funkciót és mechanikai feszültséget, melyet a sejtek a testünkben érzékelnek. Hogyan is működik ez? Megmutatom. Azt a technikát használjuk, amit a számítógépes csipek gyártói, hogy létrehozzuk ezeket a struktúrákat, melyek léptéke megfelel mind a sejteknek, mind a környezetüknek. Három folyadékcsatornánk van. Itt középen van egy porózus és rugalmas membrán, melyre emberi sejteket teszünk, mondjuk a tüdőből, alá pedig hajszálérsejteket, ilyenek vannak az érfalban. Ezután mechanikai erőket alkalmazunk a csipre, melyek nyújtják és összenyomják a membránt, így a sejtek ugyanolyan erőket érzékelnek, mint amikor lélegzünk. És ugyanúgy is érzik ezt, mint amikor a testünkben voltak. A felső csatornán keresztül levegő áramlik, a tápanyagokat tartalmazó folyadékot pedig a vércsatorna szállítja. Nos, csakugyan szép csip, de mit lehet vele kezdeni? Hihetetlen funkcionalitás rejlik ezekben a kis csipekben. Meg is mutatom. Például utánozni tudjuk vele a fertőzést, csak baktériumot kell juttatni a tüdőbe. Aztán adunk hozzá emberi fehérvérsejteket. A fehérvérsejtek védik testünket a behatoló baktériumoktól, és amikor észlelik a fertőzés okozta gyulladást, átmennek a vérből a tüdőbe, és bekebelezik a baktériumokat. Nos, ezt most megnézhetik élőben is egy igazi emberi tüdőt hordozó csipen. A fehérvérsejteket megjelöltük, hogy lássák, ahogy mozognak, majd a fertőzést észlelve leragadnak. Leragadnak, és megpróbálnak átjutni a tüdő felőli oldalra a vércsatornából. Amint látják, képesek vagyunk megmutatni egyetlen fehérvérsejtet: leragad, átfurakszik a sejtrétegeken, a pórusokon, kijön a membrán túloldalán, és lám, már falja is a baktériumot, melyet zölddel jelöltünk. Egy apró csip, és szemtanúi lehettünk az egyik alapvető jelenségnek, ahogy testünk reagál a fertőzésre. Ez a reagálás az immunválasz. Elég izgalmas dolog.
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.
És most szeretném megmutatni ezt a képet, nemcsak azért, mert olyan szép, hanem azért is, mert rengeteg információt közöl arról, mit csinálnak a sejtek a csipekben. Megmutatja, hogy ezek a sejtek, melyek a tüdőnk szűk légjárataiban találhatók, valóban olyan bolyhos struktúrát hordoznak, ahogy arra számítani lehetett. Ezek a struktúrák, a csillók, kifelé mozgatják a nyálkát a tüdőnkből. Igen, a nyálkát. Fúj! Valójában a nyálka nagyon fontos. Beleragadnak a porszemek, vírusok, potenciális allergének, és ezek a pici, mozgékony csillók kitakarítják a nyálkát a tüdőből. Ha a csillók megsérülnek, mondjuk például a cigarettafüsttől, akkor nem működnek rendesen, és nem tudják kihajtani a nyálkát. Ez pedig olyan betegségekhez vezet, mint a hörghurut. A csillóknak és a nyálkaeltávolításnak olyan szörnyű betegségekhez is közük van, mint a cisztás fibrózis. De most, a csipek nyújtotta funkcionalitás birtokában, elkezdődhet a kutatás lehetséges új kezelések irányában.
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.
Nem álltunk meg a tüdőcsipnél. Van már bélcsipünk is. Mutatok is egyet. Emberi bélsejtek vannak az ilyen csipekben, melyek folyamatos perisztaltikus mozgásban vannak a sejtek között szivárgó folyadék hatására, és számos olyan funkciót tudunk utánozni velük, amire számítani lehet az igazi emberi bélben. Olyan betegségeket modellezhetünk mostantól, mint az irritábilis bél szindróma. Az IBS olyan betegség, mely sokakat érint. Kellemetlen dolog, és nincs rá igazán jó gyógymód.
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.
Ma már sorozatban "gyártjuk" a különböző szervcsipeket a laboratóriumunkban. Ennek a technológiának az igazi ereje abból a tényből fakad, hogy fluidikailag összekapcsolhatók. A csipeken folyadék áramlik át, így összekapcsolhatjuk a különböző fajtájúakat egy virtuális embercsippé. Ez aztán már igazán izgalmas. Persze sosem fogunk egy egész embert újjáteremteni ezekben a csipekben: az a célunk, hogy a kapott funkcionalitás alapján képesek legyünk pontosabban előrejelezni, hogy mi történik majd az igazi emberekben. Például most azt vizsgáljuk, mi történik, ha egy szert aeroszolként adunk. Akinek asztmája van mint nekem, és inhalálót használ, annál megnézhetjük, hogy kerül a szer a tüdejébe, majd a testébe, és hogyan hat mondjuk a szívére. Megváltoztatja a szív ritmusát? Van mérgező hatása? A máj szűri ki? Metabolizálódik a májban? A vese választja ki? Tanulmányozhatjuk a dinamikus testreagálásokat is egy szer esetében.
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.
Ez igazi forradalmat jelentene, új játékszabályokkal, nemcsak a gyógyszeriparban, hanem egy sereg más iparágban is, beleértve a kozmetikai ipart. Potenciálisan arra használhatnánk a bőrcsipet, melyen most dolgozunk a laborban, hogy megnézzük, vajon egy termék összetevői biztonságosan alkalmazhatók-e a bőrre anélkül, hogy állatokon is kipróbálnánk. Ellenőrizhetnénk biztonsági szempontból azokat a vegyi anyagokat, melyeknek ki vagyunk téve nap mint nap az adott környezetben, mint például a közönséges háztartási tisztítószerek. A szervcsipeket használhatnánk olyan alkalmazásokban is, melyek a bioterrorizmussal vagy a sugárterheléssel kapcsolatosak. Segítségükkel többet megtudhatnánk olyan betegségekről, mint az ebola, vagy a halálos SARS betegség.
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.
A szervcsipek megváltoztathatnák a klinikai tesztelés módját is a jövőben. Jelenleg az átlagos résztvevő egy klinikai tesztben az átlagos beteg. Jellemzően középkorú és nőnemű. Nem sok klinikai teszt akad, amelybe gyermekeket is bevonnak, pedig naponta adunk gyógyszert gyerekeknek, holott a beadott szerek biztonságos voltát kizárólag felnőtteken tesztelték. A gyermek nem felnőtt. Nem biztos, hogy úgy reagál, mint egy felnőtt. Előfordulhatnak genetikai különbözőségek is a népességben, lehetnek olyan népességcsoportok, amelyek negatívan reagálnak egy adott szerre. Képzeljük el most, hogy sejteket veszünk a különböző csoportoktól, csipbe tesszük ezeket, és népességcsipeket készítünk belőlük. Ez csakugyan megváltoztatná a klinikai tesztelést. A csapatunk minden tagja ezen dolgozik. Van köztünk mérnök, van sejtbiológus, van orvos, és mind együtt dolgozik. Valami egészen hihetetlen zajlik a Wyss Intézetben. A tudományterületek konvergenciája, amikor a biológia hatással van a tervezésre, a mérnöklésre, a kivitelezésre. Izgalmas dolog.
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.
Fontos ipari együttműködéseket kezdeményezünk, például egy olyan céggel, amely nagy léptékű digitális gyártási tapasztalattal rendelkezik. Abban fognak segíteni nekünk, hogy egy-egy darab helyett milliószám gyártsuk ezeket a csipeket, hogy hozzájuthasson minden kutató, aki csak akar. Mert ez a kulcs a technológiai lehetőségek kibontakoztatásához.
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.
Hadd mutassam meg most a készülékünket! Mérnökeink épp ennek a készüléknek a prototípusán dolgoznak a laborban, mert ez a készülék teszi lehetővé számunkra azt a szabályozási lehetőséget, amely ahhoz kell, hogy 10 vagy több csipet kapcsoljunk össze. És egy másik fontos feladata is van. Kényelmes felhasználói kezelőfelületként szolgál. Tehát ha jön egy magamfajta sejtbiológus, fogja a csipet, beteszi egy kazettába, mint az a prototípus, amelyet itt látnak, bedugja a kazettát a masinába, ahogy a CD-t szokta, és már megy is a dolog. Plug-and-Play. [Bedugod-és-Beindul.] Ilyen egyszerű.
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.
Most pedig képzeljük el, milyen lenne a jövő, melyben foghatnám az ön őssejtjeit, és rárakhatnám egy csipre, vagy az ön őssejtjeit rakhatnám rá. Ezek már személyre szabott csipek lennének, csak önöknek.
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.
Mi itt mindannyian egyediek vagyunk, és az egyedi különbségek azt jelentik, hogy a reakciónk is nagyon eltérő -- és sokszor kiszámíthatatlanul az -- a különböző szerekre. Jómagam, néhány éve, igen erős fejfájástól szenvedtem, nem tudtam megszabadulni tőle, és gondoltam, "kipróbálok valami mást". Bevettem pár Advilt. Tizenöt percre rá már úton is voltam a sürgősségi osztály felé egy jól fejlett asztmarohammal. A jelek szerint nem volt végzetes -- (Derültség) --, de sajnos, az efféle negatív gyógyszerreakciók végzetesek is lehetnek.
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.
Hogy előzhetjük meg az ilyesmit? Nos, el tudok képzelni egy napot, amikor lesz Geraldine-csip, lesz Danielle-csip, lesz bárki-önök-közül-csip.
Personalized medicine. Thank you.
Személyre szabott orvoslás. Köszönöm.
(Applause)
(Taps)