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.
Ngày nay chúng ta đối mặt với thách thức về vấn đề sức khỏe toàn cầu, và thách thức đó là cách chúng ta tìm ra và phát triển các phương thuốc hiện nay quá tốn kém, mất quá nhiều thời gian, và nó thường thất bại hơn là thành công. Nó thực sự vô tác dụng, và điều đó có nghĩa rằng người bệnh đang rất cần những phương thuốc mới sẽ không có thuốc, và những căn bệnh vẫn chưa được chữa trị. Có vẻ như chúng ta đang tiêu ngày càng nhiều tiền hơn. Vì vậy với mỗi tỷ đô la chúng ta dùng trong nghiên cứu và phát triển thuốc, chúng ta sẽ có ít thuốc được cho phép bán hơn. Nhiều tiền hơn, nhưng lại ít thuốc hơn. 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.
Vậy chuyện gì đang xảy ra ở đây? Có vô số các yếu tố ảnh hưởng ở đây, nhưng tôi nghĩ một trong những yếu tố quan trọng là những công cụ chúng ta hiện có cho phép chúng ta kiểm tra xem thuốc có tác dụng, hay có hiệu quả, hay thuốc có an toàn hay không trước khi ta đưa ra thử nghiệm lâm sàng trên người, đang làm chúng ta thất bại. Chúng không giúp đoán được điều gì sắp xảy ra trên con người. Và chúng ta có hai công cụ chính cho chúng ta tùy ý sử dụng. Đó là thử nghiệm trên các tế bào và thử nghiệm trên động vật
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.
Bây giờ hãy nói về cái đầu tiên, thử nghiệm trên tế bào. Các tế bào hoạt động nhịp nhàng trong cơ thể chúng ta. Chúng ta lấy chúng ra và tách chúng ra khỏi môi trường quen thuộc của chúng, ném chúng vào một trong những cái đĩa này, và hy vọng chúng hoạt động. Bạn đoán thử xem. Chúng không hoạt động. Chúng không thích môi trường đó bởi vì không có gì thực sự giống môi trường chúng có trong cơ thể.
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.
Còn thử nghiệm trên động vật thì sao? À, động vật có thể cung cấp những thông tin cực kỳ hữu ích. Chúng cho ta biết chuyện gì đang xảy ra trong các tổ chức cơ thể phức tạp. Chúng ta có thể học được nhiều về sinh học từ đó. Tuy nhiên, hầu như thường xuyên, mẫu thử động vật không thể giúp dự đoán những gì xảy ra trên người khi chúng được điều trị với một loại thuốc cụ thể.
So we need better tools. We need human cells, but we need to find a way to keep them happy outside the body.
Vì vậy chúng ta cần những công cụ tốt hơn. Chúng ta cần những tế bào của người, nhưng chúng ta cần tìm ra cách giữ cho chúng hoạt động bên ngoài cơ thể người.
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.
Cơ thể chúng ta là môi trường luôn biến đổi. Chúng ta có những biến đổi nhất định. Các tế bào trải qua môi trường như thế. Chúng ở trong môi trường biến động trong cơ thể ta. Chúng được đặt dưới những lực cơ học liên tục. Vì thế chúng ta muốn các tế bào mạnh khỏe bên ngoài cơ thể ta, chúng ta cần trở thành kiến trúc sư cho tế bào. Chúng ta cần thiết kế, xây dựng và hoàn thiện một ngôi nhà khác cho các tế bào.
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.
Và ở học viện Wyss, chúng tôi đã làm điều đó. Chúng tôi gọi nó là một "bộ phận cơ thể trên một con chíp". Và tôi có một con ở đây. Nó đẹp phải không? Nhưng khá là phi thường đấy. Ngay đây trong tay tôi là một lá phổi của người đang thở, đang sống trên một con chíp.
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.
Và nó không chỉ đẹp. Nó còn có thể làm cực kỳ nhiều việc khác. Chúng tôi có những tế bào sống trên con chíp nhỏ xíu, các tế bào trong môi trường biến động tác động qua lại với các dạng tế bào khác. Đã có nhiều người cố nuôi tế bào trong phòng thí nghiệm. Họ cố thử nhiều phương pháp khác nhau. Thậm chí họ thử nuôi những bộ phận nhỏ trong phòng thí nghiệm. Chúng tôi không cố làm điều đó ở đây. Chúng tôi chỉ đơn giản đang cố tái tạo trong con chíp tí xíu này một đơn vị chức năng nhỏ nhất để làm ra môi trường hóa sinh, chức năng và áp lực cơ học mà tế bào gặp phải trong cơ thể chúng ta. Vậy nó hoạt động như thế nào? Để tôi cho các bạn xem. Chúng tôi sử dụng những kỹ thuật từ ngành công nghiệp sản xuất chíp máy tính để làm ra những cấu trúc với kích thước nhỏ thích hợp cho cả tế bào và môi trường của chúng. Chúng tôi có 3 kênh chất lỏng. Ở chính giữa, chúng tôi có một màng co giãn với lỗ xốp, trên đó ta có thể đặt các tế bào của người, ví dụ như phổi, và ở bên dưới, chúng có các tế bào mao dẫn, những tế bào như trong mạch máu chúng ta. Và chúng tôi có thể tác động các lực cơ học lên con chíp để kéo giãn và làm co lại lớp màng, giúp cho tế bào tiếp nhận những lực cơ học y hệt như khi chúng ta thở. Thế là các tế bào có trải nghiệm tương tự như trong cơ thể. Có luồng khí di chuyển qua kênh trên cùng, và sau đó chúng tôi cho dung dịch chứa chất dinh dưỡng chảy qua kênh dẫn máu. Bây giờ con chíp thực sự đẹp, nhưng chúng ta có thể làm gì với nó? Chúng ta có thể có những chức năng phi thường bên trong những con chíp nhỏ thế này. Để tôi chỉ cho các bạn. Chúng ta có thể, ví dụ, bắt chước quá trình lây nhiễm, khi chúng ta cấy các tế bào vi khuẩn vào phổi, sau đó ta có thể thêm vào bạch cầu. Các tế bào bạch cầu là cơ quan bảo vệ cơ thể ta chống lại những vi khuẩn xâm nhập, và khi bạch cầu nhận ra kích thích của sự lây nhiễm này, chúng sẽ từ máu đi vào phổi và nuốt chửng lấy vi khuẩn. Như các bạn sẽ thấy nó diễn ra trực tiếp ngay bây giờ trong phổi người thực sự trên con chíp. Chúng tôi đánh dấu các tế bào bạch cầu để bạn có thể thấy chúng chảy qua, và khi chúng phát hiện sự lây nhiễm, chúng bắt đầu tụ lại. Chúng tụ lại, và sau đó chúng cố chui vào trong phổi từ dòng máu chảy. Và bạn có thể thấy ở đây, chúng ta có thể thực sự nhìn ra từng tế bào bạch cầu. Chúng dính lại, ngọ nguậy giữa các lớp tế bào, qua các lỗ nhỏ như chân lông, thoát ra trên bề mặt bên kia của màng co giãn, và ngay đó, nó sẽ nuốt lấy vi khuẩn được đánh dấu màu xanh. Trong con chíp bé đó, bạn vừa chứng kiến một trong những phản ứng cơ bản nhất của cơ thể đối với sự lây nhiễm. Đó là cách chúng ta phản ứng lại -- một phản ứng của hệ miễn dịch. Khá thú vị nhỉ!
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.
Giờ tôi muốn chia sẻ bức hình này với quý vị, không đơn thuần vì nó quá đẹp, mà là vì nó cho chúng ta cực nhiều thông tin về cái mà các tế bào đang làm trong con chíp. Nó cho chúng ta biết rằng những tế bào này từ đường hô hấp nhỏ trong phổi, thực sự có những cấu trúc như sợi tóc mà bạn sẽ có thể thấy trong phổi. Những cấu trúc này được gọi là lông mao, và nó di chuyển chất nhầy ra khỏi phổi. Yeah. Chất nhầy. Thật đáng sợ. Nhưng chất nhầy thực sự rất quan trọng. Chất nhầy bẫy các vật thể hạt, virus, chất có thể gây dị ứng, và các lông mao nhỏ này di chuyển và làm sạch các chất nhầy ra ngoài. Khi lông mao bị tổn hại bởi khói thuốc lá chẳng hạn, chúng không làm việc đúng cách, và chúng không thể đưa hết chất nhầy ra ngoài. Và có thể dẫn đến các bệnh như viêm phế quản. Lông mao và việc làm sạch chất nhầy cũng liên quan đến các bệnh khủng khiếp như xơ nang. Nhưng bây giờ, với các chức năng mà chúng ta có trong các con chíp này, chúng ta có thể bắt đầu tìm kiếm các phương pháp điều trị mới tiềm năng.
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.
Chúng tôi không dừng lại với lá phổi trên một con chíp . Chúng tôi có một đoạn ruột trên một con chíp. Bạn có thể thấy một con ngay ở đây. Và chúng tôi đã đưa các tế bào tiêu hóa của con người vào trong một đoạn ruột trên một con chíp, và chúng đang theo chuyển động nhu động của ruột liên tục, dòng chảy này chảy qua các tế bào, và chúng tôi có thể bắt chước nhiều chức năng mà bạn thực sự mong đợi để xem bên trong ruột người. Bây giờ chúng ta có thể bắt đầu tạo ra các mô hình bệnh chẳng hạn như hội chứng ruột kích thích. Đây là một bệnh ảnh hưởng đến rất nhiều người. Nó thực sự gây suy nhược, và không thực sự có nhiều phương pháp tốt điều trị cho nó.
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.
Bây giờ chúng tôi có cả một đường ống dẫn các cơ quan khác nhau trên chíp mà chúng tôi đang nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của mình. Giờ đây, sức mạnh thực sự của công nghệ này, tuy nhiên, xuất phát từ thực tế rằng chúng ta có thể liên kết chúng bằng các kênh chất lỏng. Các chất lỏng chảy qua các tế bào, vì vậy chúng tôi có thể bắt đầu kết nối nhiều chip khác nhau lại với nhau để tạo thành cái mà chúng tôi gọi là một con người ảo trên một chíp. Chúng tôi thực sự cảm thấy thú vị. Chúng tôi sẽ không bao giờ tái tạo toàn bộ con người trong các con chíp, nhưng mục tiêu của chúng tôi là có thể tái tạo vừa đủ các chức năng để chúng ta có thể dự đoán tốt hơn về những gì sẽ xảy ra cho người. Ví dụ, bây giờ chúng tôi có thể bắt đầu tìm hiểu những gì sẽ xảy ra nếu chúng tôi đặt một loại thuốc kiểu thuốc xịt. Những người giống như tôi mắc bệnh hen suyễn, khi bạn dùng ống xịt trị xuyễn, chúng ta có thể khám phá xem thuốc đi vào phổi bạn như thế nào, nó đi vào cơ thể như thế nào, nó có thể ảnh hưởng đến tim của bạn như thế nào. Liệu nó có thay đổi nhịp đập của tim bạn? Liệu nó có độc tính? Liệu nó có được đào thải hết ở gan? Hay nó có chuyển hóa ở gan không? Nó có bài tiết qua thận của bạn? Chúng ta có thể bắt đầu nghiên cứu phản ứng động của cơ thể với thuốc.
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.
Điều này có thể thực sự cách mạng hóa và làm thay đổi cuộc chơi không chỉ cho ngành công nghiệp dược phẩm, mà còn một loạt các ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm cả ngành công nghiệp mỹ phẩm. Chúng ta có tiềm năng sử dụng da trên một con chíp mà chúng tôi hiện đang phát triển trong phòng thí nghiệm để kiểm tra xem các thành phần trong các mỹ phẩm mà bạn đang sử dụng có thực sự an toàn để bôi trên da của bạn hay không mà không cần thử nghiệm trên động vật. Chúng ta có thể kiểm tra độ an toàn của hóa chất mà chúng ta đang tiếp xúc hàng ngày trong môi trường của chúng ta, như hóa chất trong chất tẩy rửa gia dụng thông thường. Chúng ta cũng có thể sử dụng các cơ quan trên chíp cho các ứng dụng trong lĩnh vực khủng bố sinh học hoặc phơi nhiễm bức xạ. Chúng ta có thể sử dụng chúng để tìm hiểu thêm về các dịch bệnh như Ebola hoặc những căn bệnh chết người khác như 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.
Các cơ quan trên chíp cũng có thể thay đổi cách chúng ta làm thử nghiệm lâm sàng trong tương lai. Vào lúc này, đối tượng trung bình tham gia trong một thử nghiệm lâm sàng là: mức trung bình. Có xu hướng là trung niên, có xu hướng là nữ. Bạn sẽ không tìm thấy nhiều thử nghiệm lâm sàng trong đó có trẻ em tham gia, nhưng mỗi ngày, chúng ta cung cấp cho trẻ em các loại thuốc , và dữ liệu an toàn duy nhất chúng ta có trên thuốc là thứ mà chúng ta thu thập từ người lớn. Trẻ em đâu phải là người lớn. Chúng có thể không phản ứng cùng một cách như người lớn. Có những thứ khác như sự khác biệt di truyền trong các nhóm người có thể đưa đến một số nhóm dễ tổn thương có nhiều nguy cơ gặp phản ứng có hại của thuốc. Bây giờ hãy tưởng tượng nếu chúng ta có thể lấy tế bào từ tất cả những nhóm người khác nhau, đặt chúng trên các con chíp, và tạo ra các quần thể trên một con chíp. Điều này thực sự có thể thay đổi cách chúng ta làm thử nghiệm lâm sàng. Và đây là điều mà nhóm và mọi người trong nhóm chúng tôi đang làm. Chúng tôi có các kỹ sư, chúng tôi có các nhà sinh học tế bào, chúng tôi có các bác sĩ, tất cả làm việc cùng nhau. Chúng tôi thực sự đang thấy một điều gì đó thật lạ thường tại hoc viện Wyss. Nó thực sự là một sự hội tụ của các ngành, nơi sinh học cũng ảnh hưởng đến cách chúng tôi thiết kế, cách chúng tôi chế tạo, cách chúng tôi xây dựng. Điều đó thú vị lắm.
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.
Chúng tôi đang thiết lập những mối hợp tác quan trọng với công nghiệp chẳng hạn quan hệ với một công ty có chuyên môn trong sản xuất chíp số quy mô lớn. Họ sẽ giúp chúng tôi làm ra, thay vì chỉ là một trong những con chíp ở đây, hàng triệu những con chíp như vậy, để chúng tôi có thể đưa chúng đến tay của càng nhiều nhà nghiên cứu càng tốt. Và đây là chìa khóa giải phóng tiềm năng của công nghệ đó.
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.
Bây giờ để tôi cho bạn xem thiết bị của chúng tôi. Đây là một thiết bị mà các kỹ sư của chúng tôi đang tạo mẫu trong phòng thí nghiệm, và công cụ này sẽ cung cấp cho chúng tôi các kỹ thuật điều khiển mà chúng tôi sẽ cần để liên kết 10 hoặc nhiều hơn các chíp cơ quan với nhau. Nó còn làm việc khác rất quan trọng. Nó tạo ra một giao diện người dùng dễ sử dụng. Nhờ đó một nhà sinh vật học tế bào như tôi có thể nhảy vào, lấy một con chíp, đặt nó trong một cái hộp như nguyên mẫu mà bạn nhìn thấy ở đó, đặt hộp vào máy giống như bạn nhét một chiếc CD, và bạn đi ra. Đặt vào và sử dụng. Quá dễ dàng.
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.
Bây giờ, hãy tưởng tượng một chút hình dung tương lai sẽ như thế nào nếu tôi có thể lấy tế bào gốc của bạn và đặt chúng trên một chíp, hoặc tế bào gốc của bạn và đặt chúng trên một con chíp. Nó sẽ là một con chíp được thiết kế riêng cho bạn.
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.
Bây giờ tất cả chúng ta ở đây là những cá nhân, và những sự khác biệt cá nhân có nghĩa là chúng ta có thể phản ứng rất khác nhau và đôi khi theo những cách không thể đoán trước với thuốc. Bản thân tôi, vài năm trước, bị một chứng đau đầu nghiêm trọng, đến nỗi không lắc cái đầu, và nghĩ rằng, " Chà, tôi sẽ thử một loại thuốc khác nào đó." Tôi lấy một số thuốc Advil. Mười lăm phút sau, tôi đang trên đường đến phòng cấp cứu với một cơn hen suyễn nặng. Bây giờ, rõ ràng là nó không gây tử vong, nhưng thật không may, một số trong những phản ứng có hại của thuốc có thể rất nguy kịch.
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.
Vì vậy, làm thế nào để chúng ta ngăn chặn chúng? Vâng, chúng ta có thể tưởng tượng một ngày có phiên bản của Geraldine trên con chíp, có phiên bản của Danielle trên một chíp, có phiên bản của chính bạn trên một con chip.
Personalized medicine. Thank you.
Thuốc cá nhân hóa cho từng người. Xin cảm ơn.
(Applause)
(Vỗ tay)