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.
Stoi przed nami wyzwanie zdrowotne na skalę światową: obecnie używane sposoby odkrywania i rozwoju nowych leków są za drogie, za długo trwają i zawodzą częściej, niż przynoszą sukcesy. Po prostu nie działają, więc pacjenci, którym potrzeba nowych terapii, nie otrzymują ich, a choroby pozostają nieleczone. Wydajemy coraz więcej pieniędzy. Każdy miliard dolarów wydany na Badania i Rozwój przynosi na rynek coraz mniej leków. Więcej pieniędzy, mniej leków. 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.
Co się tu dzieje? Wiele czynników może tu odrywać rolę, ale chyba najważniejsze jest to, że narzędzia, których obecnie używamy do testowania skuteczności, efektywności i bezpieczeństwa leków przed rozpoczęciem badań klinicznych zawodzą. Nie potrafią przewidzieć, jak leki zadziałają w ludzkim organizmie. Mamy do dyspozycji dwie podstawowe techniki. Są to komórki w naczyniach i testy na zwierzętach.
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.
Porozmawiajmy o komórkach w naczyniach. Komórki z powodzeniem działają w organizmie. Wyrywamy je z naturalnego środowiska, wrzucamy do jednego z takich naczyń i oczekujemy, że będą normalnie funkcjonować. Wiecie co? Nie będą. Nie lubią tego środowiska, bo w niczym nie przypomina warunków wewnątrz organizmu.
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.
A testy na zwierzętach? Zwierzęta dostarczają nam naprawdę przydatnych informacji. Uczą nas, co dzieje się wewnątrz skomplikowanego organizmu. Uczymy się więcej na temat samej biologii. Jednak częściej niż rzadziej, modele zwierzęce nie potrafią przewidzieć reakcji u ludzi na leczenie danym lekiem.
So we need better tools. We need human cells, but we need to find a way to keep them happy outside the body.
Potrzebujemy lepszych narzędzi. Potrzebne są nam ludzkie komórki, ale musimy znaleźć sposób, żeby były szczęśliwe, nawet poza organizmem.
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.
Nasze ciało to dynamiczne środowisko. Jesteśmy w ciągłym ruchu. Nasze komórki tego doświadczają. Znajdują się w dynamicznym środowisku ciała. Ciągle podlegają siłom mechanicznym. Jeśli chcemy je uszczęśliwić poza organizmem, powinniśmy stać się komórkowymi architektami. Należy zaprojektować, skonstruować i zbudować dom z dala od domu dla komórek.
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.
W Instutycie Wyss udało się nam dokładnie tego dokonać. Mówimy na to "organ na chipie". I mam jeden ze sobą. Piękny, prawda? Na dodatek jest niesamowity. Trzymam w ręce oddychające, żywe
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.
ludzkie płuco na chipie. Nie dość, że jest piękne, może także dokonywać wielkich rzeczy. Na tym małym chipie znajdują się żywe komórki w dynamicznym środowisku, współdziałające z innymi typami komórek. Wielu ludzi próbuje hodować komórki w laboratorium na różne sposoby. Próbowali nawet hodować małe mini-narządy. My tego nie robimy. Chcemy po prostu odtworzyć na tym malutkim chipie najmniejszą funkcjonalną jednostkę, która zareprezentuje biochemię funkcjonowanie i mechaniczny stres, jakich komórki doświadczają w organizmie. Jak to działa? Pozwólcie, że pokażę. Stosujemy technologie wytwarzania układów scalonych, żeby uzyskać skalę odpowiednią dla komórek i ich środowiska. Mamy tu trzy kanaliki z płynem. W środku jest elastyczna błona z otworkami, którą pokrywamy warstwą ludzkich komórek, pochodzących na przykład z płuc. Pod spodem są komórki kapilarne, które występują w naczyniach krwionośnych. Można teraz przyłożyć siły mechaniczne, które będą rozciągały i ściskały błonę, dokładnie tak samo jak w organizmie podczas oddychania. Komórki mają te same warunki, co w organizmie. Przez górny kanalik płynie powietrze, a płyn ze składnikami odżywczymi płynie przez kanalik krwionośny. Teraz dopiero chip jest naprawdę piękny, ale co właściwie można z nim zrobić? Te niewielkie chipy oferują niesamowite możliwości. Pokażę wam. Można przykładowo odwzorować zakażenie, gdy do płuc wpuścimy komórki bakteryjne, a potem białe krwinki, które stanowią barierę obronną ciała przed bakteryjnymi agresorami. Kiedy wyczują infekcję i stan zapalny, przejdą z krwi do płuca i pochłoną bakterie. Zobaczmy, jak to przebiega w "prawdziwym" ludzkim płucu na chipie. Oznaczyliśmy białe krwinki, żeby można było je śledzić. Kiedy wykryją zakażenie, przytwierdzą się do błony. Następnie próbują dostać się do płuca prosto z kanaliku krwionośnego. Możemy więc zobaczyć pojedynczą białą krwinkę. Przytwierdza się, szuka przejścia między warstwami komórek, przez otwór przechodzi na drugą stronę błony. Teraz pochłonie bakterię, oznakowaną na zielono. W tym małym chipie właśnie zobaczyliście jedną z najbardziej podstawowych reakcji organizmu na zakażenie. Odpowiedź immunologiczną. To fascynujące.
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.
Teraz pokażę wam zdjęcie. Nie tylko dlatego, że jest piękne, ale dlatego, że przekazuje nam wiele o tym, jak komórki zachowują się w chipie. Możemy zobaczyć, że komórki z najmniejszych rozgałęzień dróg oddechowych mają strukturę podobną do włosów, jakiej można oczekiwać w płucach. Takie struktury nazywamy rzęskami. Są niezbędne do usuwania śluzu z płuc. Tak, śluzu. Fuj. Jednak śluz jest bardzo istotny. Wychwytuje pyły, wirusy, potencjalne alergeny, a ruch rzęsek umożliwia usuwanie śluzu z płuc. Kiedy zostaną uszkodzone, na przykład przez palenie papierosów, szwankują i nie umieją usuwać śluzu. Może to prowadzić do zapalenia oskrzeli. Rzęski i usuwanie śluzu grają też rolę w okropnej chorobie, jaką jest mukowiscydoza. Dzięki możliwościom oferowanym przez chipy możemy zacząć szukać nowych terapii.
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.
Płuco na chipie to nie wszystko. Mamy też jelito na chipie. Można je właśnie tutaj zobaczyć. W chipie umieściliśmy komórki jelitowe, które podlegają ciągłym ruchom robaczkowym, to ten powolny ruch komórek. Dzięki temu możemy odtworzyć to, co dzieje się w prawdziwym ludzkim jelicie. Można zacząć tworzyć modele chorób, przykładowo zespołu jelita drażliwego. Ta dolegliwość dotyka wiele osób. Bardzo wycieńcza organizm, a brakuje skutecznych metod leczenia.
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.
Obecnie w naszych laboratoriach trwają prace nad stworzeniem kolejnych chipów z narządami. Natomiast największy atut tej technologii tkwi w możliwości swobodnego łączenia różnych chipów. Między komórkami w chipie przepływa płyn, więc możemy zacząć łączyć różne chipy w całość, którą nazywamy wirtualnym człowiekiem na chipie. To dopiero jest ekscytujące! Nie zamierzamy odtwarzać całego człowieka, ale chcemy odwzorować funkcjonowanie tak, żeby lepiej przewidywać reakcje ludzkiego organizmu. Daje nam to szansę zbadać, przykładowo, co dzieje się podczas przyjmowania leków wziewnych. Dla astmatyków, takich jak ja, można sprawdzić, jak lek dostaje się do płuc i do reszty organizmu, i, na przykład, jak wpływa na serce. Czy wpływa na zmianę rytmu serca? Czy ma działanie toksyczne? Czy jest usuwalny przez wątrobę? Czy też jest metabolizowany w wątrobie? Czy jest wydalany z nerek? Można zacząć badać dynamiczną odpowiedź organizmu na lek.
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.
Takie podejście może zrewolucjonizować i całkowicie odmienić nie tylko przemysł farmaceutyczny, ale również szereg innych branż, w tym przemysł kosmetyczny. Skóra na chipie, nad którą obecnie pracujemy, mogłaby posłużyć do sprawdzania, czy składniki używanych kosmetyków są bezpieczne do aplikacji na skórę i to bez testów na zwierzętach. Moglibyśmy przetestować bezpieczeństwo substancji chemicznych, które napotykamy w codziennym otoczeniu, jak składniki domowych środków czyszczących. Narządy na chipach można też zastosować w przypadkach bioterroryzmu czy ekspozycji na promieniowanie. Można dzięki nim poszerzyć wiedzę o śmiertelnych chorobach, takich jak gorączka krwotoczna Ebola czy 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.
Narządy na chipach zmienią też być może nasze podejście do badań klinicznych. Dziś przeciętny uczestnik badań klinicznych jest właśnie "przeciętny". Zwykle to osoba w średnim wieku, kobieta. Niewiele jest badań, w których uczestniczą dzieci, choć każdego dnia podajemy im leki, a dane dotyczące ich bezpieczeństwa uzyskano od dorosłych. Dzieci to nie dorośli. Mogą inaczej reagować niż dorośli. Trzeba też wziąć pod uwagę różnice genetyczne między populacjami, co może pozwolić na wyizolowanie grup zagrożonych niekorzystną reakcją na lek. Wyobraźmy sobie pobieranie komórek z różnych populacji i tworzenie populacji na chipie. To naprawdę mogłoby zmienić sposób przeprowadzania badań klinicznych. To jest właśnie zespół, który się tym zajmuje. Są tu inżynierowie, specjaliści biologii komórki, klinicyści, wszyscy współpracują ze sobą. To niesamowite, co dzieje się w Instytucie Wyss. To prawdziwe przenikanie się dziedzin nauki, gdzie biologia wpływa na sposób projektowania, konstruowania i budowania. Fascynujące.
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.
Współpracujemy z ważnymi partnerami z branży, na przykład z firmą specjalizującą się w cyfrowej produkcji na dużą skalę. Pomogą nam wytworzyć, zamiast jednego, miliony takich chipów, żeby udostępnić je jak największej liczbie naukowców. To jest właśnie klucz do rozwoju tej technologii.
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.
Pozwólcie, że pokażę nasze urządzenie. Nasi inżynierowie pracują obecnie w laboratorium nad jego prototypem. To urządzenie pozwoli nam sterować systemem, który powstanie z połączenia co najmniej 10 chipów z narządami. Spełnia jeszcze jedną ważną rolę. Oferuje prosty interfejs użytkownika. Dzięki temu cytolog, taki jak ja, może przyjść, wziąć chip, umieścić go w nośniku, jak prototyp, który widzicie, następnie wstawić nośnik do urządzenia, zupełnie jak płytę CD, i już. Podłącz i używaj. Proste.
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.
Powyobrażajmy sobie, jak mogłaby wyglądać przyszłość, gdyby można było wziąć komórki macierzyste dowolnej osoby i umieścić na chipie. Byłby to zindywidualizowany chip tylko dla ciebie. Każdy z nas jest inny,
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.
te indywidualne różnice oznaczają różne, czasem nieprzewidywalne reakcje na leki. Parę lat temu dostałam strasznego bólu głowy, nic nie pomagało, więc spróbowałam czegoś nowego. Wzięłam Ibuprom. Piętnaście minut później, zostałam zabrana na pogotowie z ostrym atakiem astmy. Jak widać, nie umarłam od tego, ale niestety niektóre reakcje na leki mogą być śmiertelne. Jak temu zapobiec?
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.
Może pewnego dnia uzyskamy Geraldine na chipie, Paulinę na chipie. Ciebie na chipie. Medycyna spersonalizowana. Dziękuję.
Personalized medicine. Thank you.
(Brawa)
(Applause)