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.
Сегодня перед нами проблема здравоохранения мирового масштаба: современный способ поиска и разработки новых лекарств слишком дорогостоящий, занимает слишком много времени и является провальным чаще, чем успешным. Он просто не работает, а это значит, что пациенты, которым крайне необходимы новые виды терапии, их не получают, а болезни не излечены. Кажется, что мы тратим всё больше и больше денег. На каждый миллиард долларов, вложенный в исследования и разработку, мы получаем всё меньше одобренных на рынке лекарств. Больше денег, меньше лекарств. Хм-м-м.
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.
Так что же происходит? Существует множество факторов, но, я думаю, одним из ключевых является то, что те инструменты, какие на данный момент доступны нам для тестирования, будет ли лекарство работать, эффективно ли оно, или будет ли оно безопасно до того, как мы начнём проводить с ним клинические испытания на людях, нас подводят. Они не предсказывают, что будет происходить в людях. В нашем распоряжении есть два главных доступных инструмента. Это — клеточные колонии и тестирование на животных.
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.
Поговорим о первом: клеточные колонии. Клетки успешно функционируют в наших телах. Мы берём и вытаскиваем их из их родной среды, бросаем их на одно из этих блюдец и ждём, что они будут работать. Знаете что? Они не работают. Им не нравится эта среда, потому как она совсем не похожа на ту, что была у них внутри тела.
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.
Как насчёт тестирования на животных? Животные могут обеспечить и обеспечивают чрезвычайно важной информацией. Они учат нас тому, что происходит в сложном организме. Мы узнаём больше о биологии как таковой. Однако, чаще, чем хотелось бы, животные модели терпят неудачу в предсказывании реакции людей на лечение конкретным лекарством.
So we need better tools. We need human cells, but we need to find a way to keep them happy outside the body.
Нам нужны лучшие инструменты. Нужны человеческие клетки, но нужно найти способ поддерживать их счастливыми за пределами тела.
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.
Наши тела — это динамические среды. Мы находимся в постоянном движении. И наши клетки это ощущают. Они живут в динамической среде в теле. Они находятся под постоянным воздействием механических сил. И если мы хотим сделать клетки счастливыми вне тела, нам нужно стать клеточными архитекторами. Нужно придумать, разработать и спроектировать дом вдали от дома для клеток.
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.
В Институте Висс мы это сделали. Мы называем это «орган-на-чипе». Один из них у меня вот тут. Красиво, не так ли? Но это просто удивительно. Прямо здесь у меня в руке дышащее, живущее человеческое лёгкое на чипе.
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.
И это не только красиво. Он может делать огромное количество вещей. На этом маленьком чипе у нас живые клетки, клетки, которые в динамической среде взаимодействуют с различными видами клеток. Множество людей пытались вырастить клетки в лаборатории. Пробовали разные подходы. Даже пытались вырастить маленькие мини-органы в лаборатории. Мы это делать не пытаемся. Мы просто стараемся воссоздать на этом крошечном чипе мельчайший функциональный блок, представляющий собой биохимию, функцию и механическую нагрузку, которые клетки испытывают в нашем теле. Как же это работает? Позвольте мне вам показать. Мы применяем методы отрасли по производству компьютерных чипов, чтобы создать эти конструкции в масштабе, соответствующем как клеткам, так и их среде. У нас есть 3 жидкостных канала. В центра установлена пористая подвижная мембрана, на которую можно поместить клетку человека, например, из лёгкого, а под ними есть капиллярные клетки — клетки из наших кровеносных сосудов. И затем мы можем приложить механические силы к чипу, растягивающие и сжимающие мембрану таким образом, что клетки испытывают те же механические силы, что они испытывают, когда мы дышим. И испытывают их тем же самым образом, что и в теле. Есть поступающий через верхний канал воздух, а ещё мы добавляем жидкость, содержащую питательные вещества, через кровеносный канал. Чип действительно красивый, но что можно с ним делать? Мы можем получить невероятные возможности внутри таких маленьких чипов. Позвольте продемонстрировать вам. Мы можем, например, имитировать инфекцию, вводя бактериальные клетки в лёгкое. Затем мы можем добавить белые кровяные клетки человека. Белые кровяные клетки — защита нашего организма против бактериальных захватчиков, и когда они чувствуют это воспаление из-за инфекции, они входят из крови в лёгкое и поглощают бактерии. Сейчас вы увидите это вживую, на настоящем человеческом лёгком на чипе. Мы промаркировали белые кровяные клетки так, чтобы вы могли их видеть, и когда они выявляют эту инфекцию. они начинают липнуть. Они липнут, а потом пытаются зайти в лёгкое из кровеносного капилляра. Вы видите здесь, что мы фактически можем отчётливо представить одну белую кровяную клетку. Она липнет, она проталкивается между клеточными слоями, через пору, выходит с другой стороны мембраны, и прямо там, она поглотит бактерии, маркированные зелёным. В таком малюсеньком чипе вы только что наблюдали одну из самых фундаментальных реакций нашего тела в ответ на инфекцию. Это способ нашей реакции — иммунная реакция. Весьма захватывающе.
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.
Я хочу показать вам этот снимок. Не только потому, что он так прекрасен, а потому что он даёт нам огромнейший объём информации о том, что делают клетки в чипе. Снимок говорит нам, что эти клетки из мелких воздушных каналов лёгких обладают такими волосовидными структурами, характерные для лёгкого. Структуры эти называются «реснички», и они выводят слизь из лёгких. Да. Слизь. Фу. Но вообще-то слизь очень важна. Она схватывает частицы, вирусы, потенциальные аллергены, а вот эти маленькие реснички движутся и выводят слизь наружу. Когда они повреждены, скажем, курением, например, они не работают корректно и не могут вычистить слизь, что может привести к таким заболеваниям, как бронхит. Реснички и очищение слизи также участвуют в ужасном заболевании вроде фиброзно-кистозной дегенерации. Но теперь с теми возможностями, что дают нам эти чипы, мы можем начать искать новые потенциальные виды лечения.
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.
Мы не остановились на лёгком на чипе. У нас есть кишечник на чипе. Один из них можете увидеть здесь. Мы установили кишечные клетки человека в кишечник на этом чипе. Они находятся в постоянном перистальтическом движении — в таком сочащемся через клетки потоке — и мы можем сымитировать множество функций, которые характерны для кишечника человека. Теперь мы можем начать создавать модели заболеваний, таких как синдром раздражённой толстой кишки. Это заболевание, затронувшее огромное количество людей. Оно весьма подтачивает здоровье, и есть не так уж много хороших вариантов его лечения.
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.
У нас есть целый конвейер различных органов на чипе, над которым мы сейчас работаем в нашей лаборатории. Реальная сила этой технологии, однако, возникает из того факта, что мы можем жидкостно их связать. Между клетками протекает жидкость, и мы начинаем связывать множество различных чипов вместе, чтобы формировать то, что мы называем «виртуальный человек на чипе». Теперь становится реально интересно. Мы никогда не сможем воссоздать всего человека на этих чипах, но наша цель — иметь возможность воссоздать достаточную функциональность так, чтобы мы могли делать более точные прогнозы того, что будет происходить в людях. Например, мы можем начать исследовать, что происходит, когда мы применяем лекарство аэрозольного типа. Те из вас, у кого, как и у меня, астма, — когда вы берёте свой ингалятор, мы можем исследовать, как лекарство проникает в лёгкие, как проникает в тело, какое влияние может оказывать, скажем, на сердце. Меняет ли это сердцебиение? Токсично ли оно? Выводится ли печенью? Усваивается ли печенью? Выделяется ли почками? Мы можем начать изучать динамическую реакцию организма на лекарство.
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.
Это действительно может произвести революцию и изменить ситуацию не только для фармацевтической промышленности, но для целого сонма различных отраслей промышленности, включая косметическую. Потенциально мы можем использовать кожу на чипе, которую мы сейчас разрабатываем в лаборатории, чтобы протестировать, безопасны ли ингредиенты тех продуктов, которыми вы сейчас пользуетесь, для вашей кожи без необходимости тестирования на животных. Мы можем протестировать безопасность химикатов, которым мы подвергаемся ежедневно в нашей среде, такие как химикаты обычных бытовых чистящих средств. Мы также могли бы использовать органы на чипах для применения в борьбе с биотерроризмом или радиоактивным облучением. Мы могли бы использовать их, чтобы больше узнавать о таких заболеваниях, как вирус Эбола или других смертельно опасных заболеваниях вроде атипичной пневмонии.
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.
Органы на чипе также могли бы изменить способы клинических испытаний в будущем. Сейчас средний участник клинических испытаний таков: средний. Обычно среднего возраста, женщина. Не найдётся много клинических испытаний, в которых участвовали бы дети, но каждый день мы даём детям лекарственные препараты, а единственные данные о безопасности этих препаратов — те, что мы получили на взрослых. Дети — не взрослые. Их реакции могут отличаться от реакций взрослых. Есть ещё такие вещи, как генетические различия наций, которые могут выявлять нации в группе риска, то есть имеющих риск побочных реакций. Теперь представьте, если бы мы могли взять клетки от всех этих разных наций, поместить их на чипы и создать нации на чипах. Это действительно может изменить способ, каким мы проводим клинические испытания. И это команда и люди, кто занимается этим. У нас есть инженеры, клеточные биологи, клиницисты, работающие все вместе. Мы наблюдаем нечто невероятное в Университете Висс. Это конвергенция дисциплин, где биология влияет на то, как мы задумываем, как мы разрабатываем, как мы создаём. Очень волнующе.
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.
Мы налаживаем важное сотрудничество с промышленностью, такое как у нас есть с компанией, специализирующейся в крупномасштабном цифровом производстве. Они собираются помочь нам создать вместо одного такого чипа миллионы таких чипов, так что мы сможем дать их в руки такому большому числу исследователей, какому только возможно. Это и есть ключ к потенциалу этой технологии.
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.
Сейчас позвольте мне показать наш инструмент. Это инструмент, прототип которого наши инженеры сейчас создают в лаборатории, и этот инструмент даст нам технологический контроль, который потребуется для связывания 10 и более органов на чипах вместе. Кое-что ещё важное он делает. Он создаёт дружественный интерфейс для пользователя. То есть клеточный биолог, вроде меня, может прийти, взять чип, поместить его в картридж, как прототип, что вы видите там, поместить картридж в оборудование, так же, как вы делаете с CD диском, и уйти. Включай и работай. Просто.
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.
Теперь представим ненадолго, как может выглядеть будущее, если бы я могла взять ваши стволовые клетки и поместить их на чип или ваши стволовые клетки и поместить их на чип. Это был бы персонифицированный чип только для вас.
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.
Каждый из нас здесь индивидуум, и такие индивидуальные различия означают, что мы можем по-разному, иногда непредсказуемо, реагировать на лекарства. У меня самой пару лет назад была сильнейшая мигрень, просто не могла повернуть голову. Я подумала: «Попробую-ка я кое-что другое». Я приняла Адвил. 15 минутами позже меня везли в скорую помощь с полномасштабным приступом астмы. Очевидно, он не был смертельным, но, к сожалению, некоторые из таких неблагоприятных реакций на лекарства могут быть летальными.
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.
Как предотвратить их? Мы могли бы представить, что однажды у нас будет Джеральдина на чипе, Даниэль на чипе, вы на чипе.
Personalized medicine. Thank you.
Персонифицированная медицина. Спасибо.
(Applause)
(Аплодисменты)