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.
Cьогодні проблема світового здоров'я в наших руках, і вона полягає в тому, що той спосіб, у який ми на даний момент відкриваємо та розвиваємо нові ліки, занадто дорогий та займає багато часу. Найчастіше він підводить нас, а не дає успішних результатів. Він зовсім не дієвий, а це означає, що пацієнти, яким дуже потрібне нове лікування, не отримують його, і хвороби не лікуються. Здається, ми витрачаємо дедалі більше грошей. Отже, з кожним мільярдом, витраченим на наукові дослідження, ми отримуємо менше ліків, які допускаються на ринок. Більше грошей, менше ліків. Гмм.
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.
То що ж відбувається? Ну, тут роль грає величезна кількість факторів, але я думаю, що один із ключових факторів ‒ це інструментарій, який ми маємо на даний час у доступі, щоб перевірити ефективність лікарського засобу, або чи безпечний він перед проведенням клінічних перевірок, і цей інструментарій нас підводить. Не можна передбачити, що станеться з людьми. Але у нашому розпорядженні є два головних знаряддя: клітини в посудинах та експерименти з тваринами.
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.
Поговоримо про перший з них, про посудини з клітинами. Отже, клітини радісно функціонують у наших тілах. Ми беремо і вириваємо їх з рідного середовища, викидаємо їх на посудини і сподіваємось, що вони працюватимуть. Вгадайте-но, що. Вони не працюють. Їм не подобається це середовище, тому що не існує для них нічого кращого за те, що вони мають усередині тіла.
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.
Що ж до експериментів над тваринами? Ну, тварини дійсно можуть надати вкрай важливу інформацію. Вони показують нам, що відбувається у складному організмі. Ми більше вивчаємо біологію як таку. Однак частіше за все випадки з тваринами не допомагають передбачити того, що може статися з людьми, якщо їх лікують конкретним препаратом.
So we need better tools. We need human cells, but we need to find a way to keep them happy outside the body.
Отже, нам потрібні кращі знаряддя. Нам потрібні клітини людського організму, але необхідно знайти спосіб зберігати їх у гарному настрої поза межами тіла.
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.
Наші тіла ‒ динамічні середовища. Ми постійно рухаємося. І наші клітини через це проходять. Вони знаходяться в рухливих середовищах у нашому організмі. На них постійно діють механічні сили. Отож, якщо ми хочемо, щоб клітини були щасливі поза нашим організмом, нам потрібно стати клітинними архітекторами. Ми повинні проектувати, будувати і споруджувати дім для клітин.
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.
І в науково-дослідницькому інституті Wyss ми якраз так і зробили. Ми називаємо цю річ "органом у чипі". І в мене є один з собою. Гарний, правда ж? Але він досить неймовірний. Прямо в мене в руці дихає жива людська легеня в чипі.
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.
І вона не просто гарна. Вона може робити приголомшливі речі. У цьому маленькому чипі живуть клітини, клітини, які знаходяться в динамічному середовищі, яке взаємодіє з різними типами клітин. Багато хто намагався виростити клітини в лабораторії. Люди випробовували різні підходи. Намагалися навіть виростити маленькі міні-органи в лабораторії. Ми не намагаємось робити цього тут. Ми просто силкуємося відтворити в цьому маленькому чипі найменшу функціональну одиницю, яка представляє біохімію, функціональну та механічну напругу, через яку проходять клітини нашого тіла. Отож, як це все працює? Зараз я вам покажу. Ми запозичуємо прийоми, що їх використовують під час виробництва комп'ютерних чипів, щоб створити конструкції у масштабі відносно клітин та їхнього середовища. Маємо три рідинні канали. У центрі – пориста гнучка мембрана, куди можемо додати людські клітини, наприклад, з наших легенів, що знизу мають капілярні клітини – клітини наших кровоносних судин. Потім можемо додати до чипу механічних сил, які розтягують та стискають мембрану. Таким чином клітини зазнають такого ж механічного впливу, як і під час дихання. Вони почуваються так, як у тілі. По верхньому каналу спрямовується потік повітря, а потім ми спрямовуємо рідину, яка містить поживні речовини, по кровоносному каналу. Чип – дійсно гарний. Що ми можемо з ним робити? Ми отримуємо неймовірну функціональність усередині даних маленьких чипів. Зараз покажу вам. Наприклад, ми змогли імітувати зараження. Ми додаємо клітини бактерій до легень, а потім додаємо людські білі кров’яні тільця [лейкоцити]. Білі кров’яні тільця – це захист нашого тіла від бактеріальних загарбників. Коли вони відчувають, що запалення відбулося через зараження, вони ввійдуть з крові в легені та поглинуть бактерії. Зараз побачите, як це відбувається наживо у людській легені на чипі. Ми намітили білі кров’яні тільця, тому видно їхній потік. Коли вони виявляють інфекцію, починають липнути. Вони липнуть, потім намагаються проникнути в легені збоку кровоносного каналу. Бачите, ми можемо зробити видимим біле кров'яне тільце. Воно липне, просовується між шарами клітин, крізь пору та виходить з іншого боку мембрани. Саме там воно поглине бактерію, позначену зеленим кольором. Тільки що ви були свідками того, як у крихітному чипі відбувається одна з основних реакцій нашого тіла на зараження. Так ми реагуємо. Це реакція імунної системи. Дуже захоплююча мить.
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 поділитися з вами цим малюнком. І не тільки тому, що він гарний. А тому, що він надає нам чимало інформації про те, що клітини роблять усередині чипів. Ці клітини з маленьких повітряних шляхів у наших легенях мають волосоподібну структуру, яку можна побачити в легенях. Ці структури називаються війками. Вони видаляють слиз із легенів. Так. Слиз. Фу! Але слиз дуже важливий. Слиз втягує часточки, віруси, можливі алергени. А ці маленькі війки рухаються та очищують слиз. Коли вони пошкоджені, наприклад, димом цигарок, вони не працюють належним чином та не очищують слиз. Це може призвести до таких захворювань, як бронхіт. Війки та очищення слизу також спричиняють страшні хвороби, наприклад, муковісцидоз. Тепер за допомогою функціональності даних чипів ми починаємо пошук нових можливих видів лікування.
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.
Ми не зупинилися на дослідженні легенів у чипі. Маємо кишку в чипі. Подивіться на неї. Ми вставили людські кишкові клітини у такий чип. Вони знаходяться у постійному перистальтичному русі, цьому тонкому струмочку крізь клітини. Можна зімітувати багато функцій, які спостерігаються у людському кишечнику. Можна моделювати хвороби, наприклад, слизистий коліт. Це захворювання вражає багатьох людей. Воно дуже ослаблює організм. Та не існує дійсно гарного лікування.
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.
Зараз ми маємо цілу систему різних чипів з органами, робота над якими ведеться в наших лабораторіях. Однак справжня сила даної технології випливає з того, що ми з’єднуємо їх за допомогою рідини. Крізь ці клітини тече рідина. Тому ми можемо зв’язувати різні численні чипи разом і формувати так звану віртуальну людину на чипі. Ми справді перебуваємо в піднесеному настрої. Ми не відтворимо усю людину в даних чипах. Наша мета – мати змогу відтворити належну функціональність, щоб краще передбачити те, що відбуватиметься у людському організмі. Наприклад, ми починаємо досліджувати процеси від введення наркотику або розпилення аерозолю. Хто з вас, як і я, хворий на астму, використовує інгалятор. Можемо дослідити процес проникнення ліків у легені, проникнення в організм, вплив ліків, наприклад, на серце. Чи змінюється внаслідок цього серцебиття? Чи токсичні ліки? Чи відбувається очищення у печінці? Чи печінка засвоює ліки? Чи нирки їх виділяють? Ми починаємо вивчати активну реакцію організму на ліки.
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.
Це може призвести до прориву та змінити не тільки фармацевтичну галузь, а цілу низку різних галузей, серед яких косметична галузь. Можна використати шкіру в чипі, який зараз ми розвиваємо в лабораторії, щоб перевірити склад цих продуктів на безпечність для вашої шкіри, не проводячи експерименти на тваринах. Можна перевірити безпечність хімічних препаратів, які впливають на нас щодня у довкіллі, як-от препарати, що їх зазвичай використовують у хатньому господарстві. Також можна використовувати органи на чипах під час біотероризму або радіоактивної загрози. Можна використовувати їх, щоб краще вивчити захворювання на кшталт лихоманки Ебола, або інших смертельних хвороб, як САРС.
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.
Органи на чипах можуть також змінити у майбутньому спосіб проведення клінічних досліджень. Нині середня кількість учасників клінічного дослідження така: середня. То схиляється у бік людей середнього віку, то в бік жінок. Ви знайдете багато клінічних досліджень, в яких задіяні діти. Однак щодня ми даємо дітям ліки. Єдині безпечні дані щодо цих препаратів ми отримали від тестів на дорослих. Але діти – не дорослі. Вони можуть не так реагувати, як дорослі. Є й інші особливості, наприклад, генетичні відмінності населення, що призводять до популяцій з підвищеним ризиком щодо несприятливої реакції на ліки. Уявіть собі, що ми взяли клітини різних популяцій, ввели їх у чипи та створили популяції на чипах. Це могло б повністю змінити спосіб проведення клінічних досліджень. А це команда людей, яка працює над цим. У нас є інженери, клітинні біологи, клінічні лікарі, які працюють разом. Ми спостерігаємо щось досить неймовірне в Інституті Wyss. Це зближення дисциплін, серед яких біологія впливає на способи проектування, спорудження та будування. Це дуже захоплююча справа.
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.
Ми налагоджуємо важливу співпрацю з виробничими підприємствами. Наприклад, ми співпрацюємо з компанією, яка займається експертизою у великих масштабах цифрового виробництва. Вони допоможуть нам зробити замість одного мільйони таких чипів, які можна надати якомога більшій кількості дослідників. Це ключ до можливостей даної технології.
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.
Покажу вам наш інструмент. Це прилад, експериментальну модель якого зараз створюють наші інженери в лабораторії. Цей прилад забезпечить нас технічним управлінням, яке дасть нам змогу з’єднати разом 10 або більше чипів з органами. Він робить щось украй важливе. Він створює легкий інтерфейс для користувачів. Тому клітинний біолог, як я, може зайти, взяти чип, вставити його в картридж, як видно на моделі, вставити картридж у машину, наче компакт-диск, і почати роботу. "Вмикай та працюй". Це легко.
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.
Уявімо собі, яким могло б бути майбутнє, якби я взяла ваші стовбурові клітини та вставила б їх у чип, або ваші стовбурові клітини та вставила б їх у чип. Це був би персоналізований чип тільки 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.
Усі ми – індивідууми. Індивідуальні відмінності означають, що ми реагуємо по-різному, а іноді непередбачено, на ліки. Кілька років тому в мене був дуже сильний головний біль. Не могла з ним впоратися, думала: "Спробую щось інше". Прийняла "Адвіл". Та через 15 хвилин я вже була в відділенні екстреної медичної допомоги з різким нападом астми. Як бачите, це було не смертельно, але, на жаль, деякі побічні реакції на ліки можуть призвести до смерті.
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.
Як цьому запобігти? Ми можемо уявити, що колись матимемо організм Джеральдін на чипі або організм Даніели на чипі, або ваш організм на чипі.
Personalized medicine. Thank you.
Індивідуальна медицина. Дякую.
(Applause)
(Оплески)