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.
Er is een wereldwijde uitdaging in de gezondheidszorg. De manier waarop we tegenwoordig nieuwe medicijnen ontdekken en ontwikkelen is veel te duur en duurt veel te lang. Het mislukt vaker dan dat het lukt. Het werkt gewoon niet, en dat betekent dat patiënten die nieuwe therapieën nodig hebben, ze niet krijgen, en dat ziektes niet worden behandeld. We besteden er steeds meer geld aan. Voor elke miljard dollar die we besteden aan R&D, krijgen we minder geneesmiddelen op de markt. Meer geld, minder geneesmiddelen. 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.
Wat is hier aan de hand? Er spelen veel factoren een rol. Een van de belangrijkste is dat de middelen die we hebben, er niet in slagen om te testen of het geneesmiddel werkt, of het doeltreffend is, of het veilig is voordat we het op mensen gaan uitproberen. Ze voorspellen niet goed wat het op mensen doet. We hebben twee technieken tot onze beschikking. Dat zijn cellen in petrischalen en dierproeven. Over de eerste, cellen in schalen:
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.
cellen doen het goed in ons lichaam. Dan pakken we ze uit hun natuurlijke omgeving, en gooien ze in deze schalen, en verwachten dat ze het doen. En wat denk je? Ze doen het niet. Ze vinden die omgeving niet fijn want het is heel anders dan in het lichaam.
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.
En dierproeven dan? Dieren kunnen enorm veel nuttige informatie geven. Ze leren ons wat er gebeurt in een ingewikkeld organisme. We komen meer te weten over de biologie zelf. Maar vaak blijkt dat dieren toch anders reageren dan mensen als ze behandeld worden met een geneesmiddel.
So we need better tools. We need human cells, but we need to find a way to keep them happy outside the body.
Dus hebben we betere technieken nodig. We hebben menselijke cellen nodig, maar we moeten een manier vinden om ze goed te laten gedijen buiten het menselijk lichaam.
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.
Ons lichaam is een dynamische omgeving. We zijn altijd in beweging. Onze cellen ervaren dat. Ze zitten in ons lichaam in een dynamische omgeving. Ze ervaren continu mechanische krachten. Als we dus cellen blij willen maken buiten ons lichaam, moeten we cel-ontwerper worden. We moeten een plek ontwerpen en bouwen buiten de natuurlijke plek voor cellen.
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.
Op het Wyss-instituut hebben we dat gedaan. We noemen het een orgaan-op-een-chip. Ik heb er hier een. Hij is mooi hè? Hij is echt ongelooflijk. Hier heb ik een ademende, levende menselijke long op een 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.
Hij is niet alleen mooi. Hij kan enorm veel dingen doen. We hebben op die kleine chip levende cellen die leven in een dynamische omgeving. Samenlevend met verschillende typen cellen. Er zijn veel mensen die proberen cellen te kweken in het laboratorium. Ze hebben dat op verschillende manieren geprobeerd. Ze hebben zelfs geprobeerd om mini-organen te kweken. Dat proberen we hier niet. We proberen op deze mini-chip gewoon de kleinste eenheid te maken die nog werkt en de biochemie vertegenwoordigt. De functie en de mechanische druk die cellen ervaren in ons lichaam. Dus hoe werkt dat? Ik zal het uitleggen. We gebruiken technieken uit de computerchip-industrie, om deze weefsels, die relevant zijn voor de cel en zijn omgeving, op schaal te maken. We hebben drie vloeistofkanalen. In het midden zit een poreuze flexibele membraan waar we menselijke cellen kunnen toevoegen van bijvoorbeeld longen. Eronder hebben ze capillaire cellen, de cellen in onze aders. We kunnen ook mechanische krachten op de chip uitoefenen die het membraan rekken en strekken. De cellen ondergaan dezelfde krachten als wanneer wij ademen. Dat voelt net als in het lichaam. Er stroomt lucht door het bovenste kanaal. Door het bloedkanaal laten we een vloeistof stromen met voedingsstoffen. De chip is nu echt mooi, maar wat kunnen we ermee doen? Er kan ongelooflijk veel met deze kleine chips. Ik zal het laten zien. We kunnen bijvoorbeeld een besmetting naspelen, waarbij we bacteriën in de long doen en menselijke witte bloedlichaampjes toevoegen. Witte bloedcellen zijn de menselijke verdediging tegen bacteriële aanvallen. Als ze een ontsteking door een infectie voelen, dan gaan ze vanuit het bloed naar de long en overspoelen de bacterie. Dat ga je nu in het echt zien in de menselijke long op de chip. We hebben de witte bloedcellen gemerkt zodat je ze ziet gaan, en als ze een infectie ontdekken blijven ze zitten. Ze proberen dan vanuit het bloedkanaal in de long te komen. Zoals je ziet, kunnen we een enkele witte bloedcel zichtbaar maken. Ze blijft zitten en kronkelt zich een weg tussen de cellagen door de poriën, naar de andere kant van het membraan, en verzwelgt daar de bacterie, hier in het groen. Je hebt zojuist in dit chipje de basisreactie gezien die ons lichaam heeft op een infectie. Zo reageren wij erop -- een immuunreactie. Dat is nogal wat. Ik wil jullie deze foto laten zien.
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.
Niet omdat hij zo mooi is, maar omdat hij ons veel informatie geeft over het gedrag van de cellen in de chips. Deze cellen uit kleine luchtwegen in de longen, hebben deze haarachtige structuur, die je ook zou verwachten in longen. Ze worden cilia genoemd. Ze werken het slijm uit de longen. Ja, slijm. Bah. Maar slijm is erg belangrijk. Slijm vangt stofjes, virussen, allergenen, en deze cilia bewegen het slijm naar buiten. Als ze beschadigen, door bijvoorbeeld rook van sigaretten, werken ze niet goed en kunnen ze het slijm niet verwijderen. Dat kan leiden tot ziektes als bronchitis. Cilia en het verwijderen van slijm hebben ook te maken met ernstige ziektes als cystische fibrose. De chips geven ons de kans te zoeken De chips geven ons de kans te zoeken naar nieuwe behandelmethoden.
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.
We deden meer dan een long op een chip. We hebben een darm-op-een-chip. Hier zie je er een. We hebben ook intestinale cellen in een darm op een chip gemaakt. Ze bewegen continu peristaltisch. Deze beweging door de cellen. We kunnen veel van deze functies nabootsen zoals je verwacht te zien in de menselijke darmen. We kunnen ondertussen modellen maken van ziektes zoals prikkelbaredarmsyndroom. Dat is een aandoening waar veel mensen aan lijden. Het is echt slopend. Er zijn niet veel goede behandelingen voor.
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.
We hebben een hele serie verschillende orgaanchips waar we in onze laboratoria aan werken. De kracht van deze technologie komt van het feit dat we ze kunnen koppelen met stromen. Er stroomt vloeistof door deze cellen, dus kunnen we ze onderling verbinden. Meerdere chips aan elkaar, om er een virtuele mens mee te maken. Dit wordt pas spannend. We gaan geen echte mens maken met deze chips, maar wat we willen, is zoveel functies toevoegen dat we daarmee beter kunnen voorspellen wat er gebeurt in mensen. We kunnen bijvoorbeeld onderzoeken wat er gebeurt als we iets met een inhalator geven. Voor mensen die zoals ik astma hebben en een inhalator gebruiken, kunnen we onderzoeken hoe het in je longen komt, je lichaam binnengaat, hoe het op je hart werkt. Verandert het je hartslag? Is het giftig? Wordt het er door de lever uitgefilterd? Wordt het omgezet door de lever? Wordt het door de nieren uitgescheiden? We kunnen de dynamische reactie van het lichaam op het middel bestuderen.
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.
Dat kan revolutionair worden en een aardverschuiving zijn. Niet alleen voor de geneesmiddelindustrie, maar voor veel andere industrieën, inclusief de cosmetische. We zouden de huid op een chip kunnen maken. We maken die momenteel in ons lab om te testen of de ingrediënten in de producten veilig zijn voor je huid, zonder eerst dierproeven te doen. We zouden de veiligheid kunnen testen van chemische middelen waaraan we dagelijks worden blootgesteld in onze omgeving. Zoals in schoonmaakmiddelen. We kunnen de organen op een chip ook gebruiken voor toepassing tegen bioterrorisme of blootstelling aan straling. We kunnen ze gebruiken om meer te leren over ziektes als ebola of ander dodelijke ziektes zoals 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.
Organen op een chip kunnen ook de manier veranderen waarop we klinische tests doen. De gemiddelde deelnemer aan een klinische test is nu nog gemiddeld: vaak van middelbare leeftijd en vrouwelijk. Je zult weinig klinische tests vinden voor kinderen. Maar we geven ook kinderen medicatie. terwijl de gegevens over veiligheid bij dat geneesmiddel is verkregen van volwassenen. Kinderen zijn geen volwassenen. Ze reageren soms anders. Er zijn nog meer verschillen zoals tussen bevolkingsgroepen die risicogroep kunnen worden omdat ze verschillend reageren op geneesmiddelen. Stel je voor dat we cellen konden nemen van verschillende bevolkingsgroepen, ze op een chip konden doen en dan bevolkingsgroepen konden maken. Dat zou de manier waarop we klinische tests doen helemaal veranderen. Dit is het team met de mensen die dat doen. Met technici, celbiologen, klinische artsen, allemaal werken ze samen. We zien iets heel bijzonders op het Wyss-instituut. De disciplines vloeien er samen. Biologie beïnvloedt het ontwerpen, de manier van onderzoeken, van bouwen. Het is heel spannend.
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.
We hebben belangrijke industriële samenwerkingen tot stand gebracht. Zoals met een bedrijf dat knowhow heeft van grootschalige digitale techniek. Ze helpen ons bij het maken van niet één, maar miljoenen chips, zodat we ze bij zoveel mogelijk onderzoekers krijgen. Dat is de sleutel tot de mogelijkheden van deze technologie. Ik zal je onze instrumenten laten zien.
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.
Dit instrument zijn onze onderzoekers nu in ons lab aan het uitproberen. Met dit instrument kunnen we bijvoorbeeld 10 of meer organen koppelen. Het doet nog iets wat heel interessant is. Het maakt een heel eenvoudig controlepaneel. Celbiologen zoals ik kunnen binnenkomen, een chip pakken, in een houder stoppen, zoals het prototype hier. Dan stoppen ze de houder in de machine, net zoals je met een cd doet, en daar gaat ie. Plug en play. Simpel. Stel je nu even voor
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.
hoe de toekomst eruit kan zien als je stamcellen kon pakken en ze op een chip kon plaatsen, of jouw eigen stamcellen. Dat zou een persoonlijke chip zijn van jezelf. Iedereen hier is een individu,
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.
en die individuele verschillen betekenen dat we verschillend kunnen reageren op geneesmiddelen. Soms op onvoorspelbare manieren. Ikzelf had jaren geleden zware hoofdpijn, die bleef aanhouden en dacht: ik probeer iets anders. Ik nam Advil. Een kwartier later, was ik op weg naar de Eerste Hulp met een complete astma-aanval. Zoals je ziet was hij niet fataal, maar helaas kunnen sommige reacties op geneesmiddelen wel fataal zijn.
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.
Hoe kan je dat voorkomen? Misschien wel met een Geraldine op een chip, een Danielle op een chip, jij op een chip.
Personalized medicine. Thank you.
Privégeneesmiddel. Dank je wel.
(Applause)
(Applaus)