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.
Oggi dobbiamo raccogliere una sfida per la salute globale nelle nostre mani: il metodo con cui attualmente scopriamo e sviluppiamo nuove medicine è troppo costoso, estremamente lungo, e fallisce più spesso di quanto abbia successo. Non funziona proprio, e questo significa che pazienti che hanno urgente bisogno di nuove terapie non le ottengono che le malattie restano senza cura. Sembra che spendiamo sempre più denaro. Ma per ogni miliardo di dollari che spendiamo in ricerca e sviluppo, mettiamo sul mercato sempre meno medicinali approvati. Più soldi, meno medicinali. 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.
Quindi, che cosa sta succedendo? Beh, c'è una moltitudine di fattori in gioco, ma io credo che uno dei fattori chiave sia che gli strumenti che abbiamo a disposizione per verificare se un medicinale funzionerà, se è efficace, oppure se sarà sicuro prima di sperimentarlo sull'uomo, ci stiano ingannando. Non ci predicono che cosa succederà sugli esseri umani. Abbiamo due strumenti principali a nostra disposizione. Sono la coltura in vitro e i test sugli animali.
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.
Parliamo ora del primo, la coltura in vitro. Allora, le cellule funzionano felicemente nei nostri corpi. Noi le prendiamo e le strappiamo dal loro ambiente naturale, le buttiamo in uno di questi piatti, e ci aspettiamo che lavorino. Indovinate. Non lo fanno. Non gli piace quell'ambiente perché non ha niente a che vedere con quello che hanno all'interno del corpo.
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.
Che cosa dire dei test sugli animali? Gli animali forniscono e possono fornire informazioni estremamente utili. Ci insegnano che cosa accade in un organismo complesso. Impariamo di più a proposito della biologia stessa. Nondimeno, molto spesso, i modelli animali non riescono a predire che cosa succederà negli esseri umani quando vengono curati con un particolare farmaco.
So we need better tools. We need human cells, but we need to find a way to keep them happy outside the body.
Quindi abbiamo bisogno di strumenti migliori. Ci servono cellule umane, ma dobbiamo trovare il modo di mantenerle felici al di fuori del corpo.
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.
I nostri corpi sono ambienti dinamici. Noi siamo in continuo movimento. E le nostre cellule lo sperimentano. Si trovano in ambienti dinamici all'interno del nostro corpo. Sono sottoposte a forze meccaniche costanti. Se vogliamo rendere le cellule felici fuori dai nostri corpi, dobbiamo diventare architetti per le cellule. Dobbiamo progettare, costruire ed organizzare una casa per le cellule lontano da casa.
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.
E al Wyss Institute, abbiamo fatto proprio questo. Lo chiamiamo un "organo in un chip". E ne ho uno proprio qui. Bello, vero? Ma è proprio incredibile. Proprio qui nella mia mano c'è un polmone umano che vive e respira su un chip.
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.
E non è solo bello. Può fare un'enormità di cose. Abbiamo cellule viventi in quel piccolo chip, cellule che sono in un ambiente dinamico e che interagiscono con altri tipi di cellule. Molte persone hanno tentato di far crescere cellule in laboratorio. Hanno provato con diversi approcci. Hanno addirittura tentato di far crescere in laboratorio piccoli mini-organi. Noi non stiamo cercando di fare questo. Stiamo semplicemente provando a ricreare in questo sottile chip la più piccola unità funzionale che rappresenta la biochimica, la funzione e lo sforzo meccanico che le cellule sperimentano nel nostro corpo. Ma come funziona? Adesso ve lo mostro. Usiamo tecniche proprie della produzione dell'industria dei chip per computer per realizzare queste strutture in una scala che sia rilevante sia per le cellule che per il loro ambiente. Abbiamo tre canali per i fluidi. Al centro, abbiamo una membrana porosa e flessibile sulla quale possiamo aggiungere cellule umane provenienti, ad esempio, dai nostri polmoni, e poi sotto, ci sono cellule capillari, le cellule dei nostri vasi sanguigni. Possiamo poi applicare forze meccaniche al chip che stirano e comprimono la membrana, in modo che le cellule sperimentino le stesse forze meccaniche di quando respiriamo. E lo fanno come all'interno del corpo. C'è dell'aria che scorre attraverso il canale superiore, poi facciamo scorrere del liquido che contiene nutrienti attraverso il canale sanguigno. Ora, il chip è davvero bello, ma che cosa possiamo farci? Possiamo ottenere una funzionalità incredibile dentro questi piccoli chip. Lasciate che ve lo mostri. Possiamo, ad esempio, imitare le infezioni, quando aggiungiamo batteri nei polmoni, poi possiamo aggiungere globuli bianchi umani. I globuli bianchi sono la difesa del nostro corpo contro gli invasori batterici, e quando loro si accorgono di questa infiammazione causata dall'infezione, entrano dal sangue nei polmoni ed avvolgono i batteri. Adesso vedrete succedere questo dal vivo in un vero polmone umano su un chip. Abbiamo marcato i globuli bianchi in modo che possiate vederli scorrere, e quando si accorgono dell'infezione, iniziano ad attaccarsi. Si attaccano e poi provano ad entrare nel polmone staccandosi dal flusso sanguigno. E come potete vedere, noi possiamo davvero visualizzare un singolo globulo bianco. Si attacca, trova la strada tra le pareti cellulari, attraverso i pori, esce dall'altra parte della membrana, e proprio lì, sta per inglobare il batterio segnato in verde. In questo minuscolo chip avete appena assistito ad una delle fondamentali risposte che il nostro corpo ha ad un'infezione. È il modo in cui noi rispondiamo, una risposta immunitaria. È piuttosto avvincente.
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.
Adesso voglio condividere questa immagine con voi, non solo perché è così bella, ma perché ci fornisce un enorme insieme di informazioni su cosa stanno facendo le cellule all'interno del chip. Ci dice che quelle cellule provenienti dai piccoli alveoli nei nostri polmoni, in realtà hanno questo aspetto simile a capelli che vi aspettereste di vedere nel polmone. Queste strutture sono chiamate ciglia e mandano fuori il muco dal polmone. Sì. Muco. Che schifo. Ma il muco è in realtà molto importante. Il muco intrappola il particolato, i virus, potenziali allergeni, e queste piccole ciglia si muovono e si disfano del muco. Quando vengono danneggiate, dal fumo di sigaretta per esempio, non lavorano correttamente, e non possono disfarsi del muco. E questo può condurre a malattie come la bronchite. Le ciglia e la pulizia dal muco sono anche coinvolte in tremende malattie come la fibrosi cistica. Ma ora, con le funzionalità che abbiamo in questi chip possiamo iniziare una ricerca di nuove cure potenziali.
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.
Non ci siamo fermati con un polmone su un chip. Abbiamo un intestino sopra un chip. Potete vederne uno proprio qui. Abbiamo messo cellule intestinali dentro ad un intestino sopra un chip, queste sono in un costante moto peristaltico, un flusso gocciolante attraverso le cellule, e possiamo imitare molte delle funzioni che realmente ci si aspetterebbe di vedere in un intestino umano. Adesso possiamo iniziare a creare modelli di malattie come la sindrome del colon irritabile. È una malattia che colpisce un gran numero di individui. Ed è davvero debilitante, e non ci sono davvero molte cure efficaci per essa.
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.
Adesso abbiamo un'intera catena di differenti organi su chip che al momento stanno lavorando nei nostri laboratori. Ora, il vero potenziale di questa tecnologia, comunque, proviene dal fatto che possiamo collegarle attraverso i fluidi. C'è del fluido che scorre attraverso queste cellule, e quindi possiamo iniziare ad interconnettere molti chip diversi per formare quello che chiamiamo un essere umano virtuale su un chip. Adesso siamo veramente molto eccitati. Non ricreeremo mai un intero umano su questi chip, ma il nostro obiettivo è di riuscire a ricreare abbastanza funzionalità per potere effettuare previsioni migliori su cosa succede nel corpo umano. Per esempio, adesso possiamo iniziare ad esplorare quello che accade quando assumiamo un farmaco tipo un medicinale per aerosol. Per quelli di voi che come me soffrono di asma, quando usate il vostro inalatore, possiamo esplorare come il medicinale entra nei polmoni, come penetra nel corpo, come può interagire, diciamo, con il cuore. Altera il battito cardiaco? È tossico? Viene purificato dal fegato? Viene metabolizzato nel fegato? Viene espulso dai reni? Possiamo iniziare a studiare la risposta dinamica del corpo ad un medicinale.
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.
Questo potrebbe davvero rivoluzionare e cambiare le regole del gioco non solo per l'industria farmaceutica, ma per un intero comparto di diverse industrie, compresa l'industria dei cosmetici. Potenzialmente possiamo usare la pelle su un chip che stiamo attualmente sviluppando in laboratorio per testare se i componenti in quei prodotti che state usando sono davvero sicuri per la pelle senza bisogno di test sugli animali. Possiamo verificare la sicurezza di sostanze a cui siamo esposti giornalmente nel nostro ambiente, come i componenti dei normali detersivi domestici. Possiamo anche usare gli organi su chip per applicazioni nel bioterrorismo o di esposizione alle radiazioni. Possiamo usarli per apprendere di più su infezioni come Ebola o altre infezioni mortali come la SARS.
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.
Gli organi su chip potrebbero anche cambiare il modo di effettuare i test clinici nel futuro. Al momento il partecipante medio in una sperimentazione clinica è questo: medio. Tende ad essere di età media, tende ad essere donna. Non troverete molte sperimentazioni cliniche dove vengono coinvolti bambini, eppure ogni giorno, diamo ai bambini medicinali, i cui unici dati di sicurezza che abbiamo sono quelli ottenuti da adulti. I bambini non sono adulti. Potrebbero non reagire allo stesso modo degli adulti. Ci sono altri fattori come le diversità genetiche nelle popolazioni che le possono mettere a rischio, il rischio di avere reazioni avverse al farmaco. Ora, immaginate se potessimo prendere cellule da tutte queste popolazioni differenti, metterle su dei chip, e creare popolazioni su chip. Questo potrebbe davvero cambiare il modo di effettuare le sperimentazioni cliniche. E questa è la squadra e le persone che stanno facendo questo. Ci sono ingegneri, ci sono biologi cellulari, ci sono medici, lavorano tutti insieme. Stiamo davvero assistendo a qualcosa di incredibile al Wyss Institute. È davvero una convergenza di discipline, dove la biologia sta influenzando il modo di progettare, il modo di organizzare, di costruire. È piuttosto emozionante.
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.
Stiamo creando importanti collaborazioni con l'industria come quella che abbiamo con un'azienda specializzata nella produzione digitale su larga scala. Ci stanno aiutando a produrre, anziché uno solo, milioni di questi chip, così da poterli mettere in mano a più ricercatori possibili. E ciò è fondamentale per il potenziale di questa tecnologia.
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.
Lasciate che vi mostri il nostro strumento. Questo è uno strumento che i nostri ingegneri stanno realizzando come prototipo proprio ora in laboratorio e questo strumento ci darà i controlli che ci serviranno per connettere insieme dieci o più organi su chip. Fa anche qualcos'altro di molto importante. Crea una facile interfaccia per l'utilizzatore. In modo che un biologo cellulare come me possa arrivare, prendere un chip, metterlo in una cartuccia, come il prototipo che vedete qui, mettere la cartuccia dentro la macchina, proprio come fareste con un CD e via. Inserire ed accendere. Facile.
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.
Ora, immaginiamo un po' come potrebbe essere il futuro se potessi prendere le tue cellule staminali e metterle su un chip. oppure le tue cellule staminali e mettere su un chip. Sarebbe un chip personalizzato solo per voi.
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.
Tutti noi qui dentro siamo individui, e queste differenze individuali significano che potremmo reagire in modo molto diverso e talvolta in modo imprevedibile ai medicinali. Io stessa, un paio di anni fa, avevo un terribile mal di testa, non riuscivo proprio a liberarmene, e pensai, "Bene, adesso provo qualcosa di diverso" Ho preso dell'Advil. Quindici minuti dopo, ero diretta al Pronto Soccorso con un attacco d'asma in piena regola. Chiaramente non era mortale, ma sfortunatamente, alcune di queste reazioni allergiche ai medicinali possono essere fatali.
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.
E quindi come le preveniamo? Beh, possiamo immaginare che un giorno avremo Geraldine su un chip, avremo Danielle su un chip, avremo voi su un chip.
Personalized medicine. Thank you.
Medicina personalizzata. Grazie.
(Applause)
(Applausi)