I'd like to show you a video of some of the models I work with. They're all the perfect size, and they don't have an ounce of fat. Did I mention they're gorgeous? And they're scientific models? (Laughs)
Vorrei mostrarvi un video di alcuni modelli con cui lavoro. Sono tutti della taglia perfetta e non hanno un filo di grasso. Vi ho già detto che sono stupendi? E che sono modelli scientifici? (Risate)
As you might have guessed, I'm a tissue engineer, and this is a video of some of the beating heart that I've engineered in the lab. And one day we hope that these tissues can serve as replacement parts for the human body. But what I'm going to tell you about today is how these tissues make awesome models.
Come avrete certamente capito, sono un ingegnere dei tessuti, e questo è un video di una parte del cuore che ho creato in laboratorio. E speriamo che un giorno questi tessuti possano servire come pezzi di ricambio del corpo umano. Oggi vi racconterò come questi tessuti possono diventare modelli eccezionali.
Well, let's think about the drug screening process for a moment. You go from drug formulation, lab testing, animal testing, and then clinical trials, which you might call human testing, before the drugs get to market. It costs a lot of money, a lot of time, and sometimes, even when a drug hits the market, it acts in an unpredictable way and actually hurts people. And the later it fails, the worse the consequences.
Pensiamo al processo di screening farmacologico. Si va dalla formulazione farmaceutica, ai test in laboratorio e a quelli su animali, e infine agli esperimenti clinici, che potremmo chiamare test umani, prima della commercializzazione del farmaco. È un processo costoso che richiede molto tempo, e, a volte, anche quando un farmaco arriva sul mercato, agisce in modi imprevedibili e può davvero causare danni alle persone. E più tardi succede, peggiori saranno le conseguenze.
It all boils down to two issues. One, humans are not rats, and two, despite our incredible similarities to one another, actually those tiny differences between you and I have huge impacts with how we metabolize drugs and how those drugs affect us.
Alla fine tutto si riduce a due fattori. Primo, gli esseri umani non sono topi, e secondo, nonostante le incredibili somiglianze tra di noi, quelle minuscole differenze tra voi e me hanno un enorme impatto su come metabolizziamo i farmaci e su come tali farmaci agiscono in noi.
So what if we had better models in the lab that could not only mimic us better than rats but also reflect our diversity? Let's see how we can do it with tissue engineering.
E se disponessimo di modelli migliori in laboratorio che non solo possano imitarci meglio dei topi ma che possano anche riflettere le nostre diversità? Vediamo come possiamo farlo con l’ingegneria tissutale.
One of the key technologies that's really important is what's called induced pluripotent stem cells. They were developed in Japan pretty recently. Okay, induced pluripotent stem cells. They're a lot like embryonic stem cells except without the controversy. We induce cells, okay, say, skin cells, by adding a few genes to them, culturing them, and then harvesting them. So they're skin cells that can be tricked, kind of like cellular amnesia, into an embryonic state. So without the controversy, that's cool thing number one. Cool thing number two, you can grow any type of tissue out of them: brain, heart, liver, you get the picture, but out of your cells. So we can make a model of your heart, your brain on a chip.
Una delle tecnologie chiave, davvero importanti, sono le cellule staminali pluripotenti indotte. Sono state sviluppate in Giappone di recente. Bene, le cellule staminali pluripotenti indotte sono molto simili alle cellule staminali embrioniche ma non sono oggetto di forti controversie. Induciamo cellule, ad esempio cellule cutanee, aggiungendo qualche gene in esse, eseguendo prima delle colture, e infine dei prelievi. Si tratta quindi di cellule cutanee che possono essere “imbrogliate” e portate a uno stato embrionale come in una sorta di amnesia cellulare. Quindi senza dar adito a controversie, ed è questo il primo aspetto entusiasmante. Il secondo aspetto entusiasmante è la possibilità di far crescere qualsiasi tipo di tessuto pertendo da esse: cervello, cuore, fegato - mi spiego? -- ma a partire dalle vostre stesse cellule. Quindi, possiamo costruire un modello del vostro cuore, del vostro cervello in un chip.
Generating tissues of predictable density and behavior is the second piece, and will be really key towards getting these models to be adopted for drug discovery. And this is a schematic of a bioreactor we're developing in our lab to help engineer tissues in a more modular, scalable way. Going forward, imagine a massively parallel version of this with thousands of pieces of human tissue. It would be like having a clinical trial on a chip.
La generazione di tessuti di densità e comportamento prevedibili è il secondo fattore, e sarà fondamentale per l’adozione di questi modelli nella scoperta di nuovi farmaci. Questo è lo schema di un bioreattore in fase di sviluppo nel nostro laboratorio che consentirà di creare tessuti in modo più scalabile e modulare. Andando avanti, immaginate una versione decisamente analoga di questo con migliaia di pezzi di tessuti umani. Sarà come avere un esperimento clinico in un chip.
But another thing about these induced pluripotent stem cells is that if we take some skin cells, let's say, from people with a genetic disease and we engineer tissues out of them, we can actually use tissue-engineering techniques to generate models of those diseases in the lab. Here's an example from Kevin Eggan's lab at Harvard. He generated neurons from these induced pluripotent stem cells from patients who have Lou Gehrig's Disease, and he differentiated them into neurons, and what's amazing is that these neurons also show symptoms of the disease. So with disease models like these, we can fight back faster than ever before and understand the disease better than ever before, and maybe discover drugs even faster. This is another example of patient-specific stem cells that were engineered from someone with retinitis pigmentosa. This is a degeneration of the retina. It's a disease that runs in my family, and we really hope that cells like these will help us find a cure.
Un’altra cosa che riguarda queste cellule staminali pluripotenti indotte è che se prendiamo delle cellule cutanee, ad esempio da persone con una malattia genetica, e da queste creiamo dei tessuti, possiamo addirittura utilizzare tecniche di ingegneria tissutale per generare dei modelli di quelle malattie in laboratorio. Ecco un esempio dal laboratorio di Kevin Eggan a Harvard. Eggan ha generato dei neuroni da queste cellule staminali pluripotenti indotte, prelevate da pazienti che hanno il morbo di Lou Gehrig, e le ha poi differenziate in neuroni; ciò che è sorprendente è che anche questi neuroni mostrano i sintomi della malattia. Quindi, con modelli come questi, possiamo lottare contro le malattie più velocemente che mai e capire la malattia meglio di quanto abbiamo mai fatto prima, e forse anche scoprire farmaci più velocemente. Ecco un altro esempio di cellule staminali specifiche per paziente prodotte da una persona affetta da retinite pigmentosa. Si tratta di una degenerazione della retina; è una malattia presente nella mia famiglia e speriamo davvero che cellule come queste possano aiutarci a trovare una cura.
So some people think that these models sound well and good, but ask, "Well, are these really as good as the rat?" The rat is an entire organism, after all, with interacting networks of organs. A drug for the heart can get metabolized in the liver, and some of the byproducts may be stored in the fat. Don't you miss all that with these tissue-engineered models? Well, this is another trend in the field. By combining tissue engineering techniques with microfluidics, the field is actually evolving towards just that, a model of the entire ecosystem of the body, complete with multiple organ systems to be able to test how a drug you might take for your blood pressure might affect your liver or an antidepressant might affect your heart. These systems are really hard to build, but we're just starting to be able to get there, and so, watch out.
C’è dunque chi ritiene che questi modelli funzionino bene, ma si chiede se sono efficaci quanto i topi. Dopo tutto, il topo è un organismo intero, con una rete interagente di organi. Un farmaco per il cuore può venire metabolizzato nel fegato, e alcuni prodotti derivati potrebbero essere immagazzinati nel grasso. Non si perde tutto questo con dei modelli di ingegneria tissutale? Beh, è un'altra tendenza in questo campo. Grazie all’utilizzo combinato delle tecniche di ingegneria tissutale e dei micro-fluidi, il campo sta appunto evolvendosi in quella direzione, alla ricerca di un modello dell’intero ecosistema del corpo, completo di più sistemi di organi per poter testare come un farmaco per la pressione sanguigna possa influire sul fegato o un antidepressivo possa avere effetti sul cuore. Questi sistemi sono molto difficili da costruire, ma siamo solo agli inizi, quindi, state all’erta.
But that's not even all of it, because once a drug is approved, tissue engineering techniques can actually help us develop more personalized treatments. This is an example that you might care about someday, and I hope you never do, because imagine if you ever get that call that gives you that bad news that you might have cancer. Wouldn't you rather test to see if those cancer drugs you're going to take are going to work on your cancer? This is an example from Karen Burg's lab, where they're using inkjet technologies to print breast cancer cells and study its progressions and treatments. And some of our colleagues at Tufts are mixing models like these with tissue-engineered bone to see how cancer might spread from one part of the body to the next, and you can imagine those kinds of multi-tissue chips to be the next generation of these kinds of studies.
E non è tutto, perché quando un farmaco viene approvato, le tecniche di ingegneria dei tessuti possono davvero aiutarci a sviluppare trattamenti più personalizzati. Questo è un esempio che potrebbe starvi a cuore un giorno, e spero che non accada mai, perché immaginate che un giorno vi chiamino per darvi la brutta notizia di un tumore. Non vorreste fare dei test per vedere se quei farmaci tumorali che assumerete funzioneranno con il vostro tumore? Ecco un esempio dal laboratorio di Karen Burg, dove si stanno utilizzando tecnologie a getto d’inchiostro per stampare cellule tumorali mammarie e studiarne la progressione e i trattamenti. Alcuni dei nostri colleghi a Tufts mescolano modelli come questi con ossa ricavate dall'ingegneria tissutale per vedere come il tumore possa diffondersi da una parte all’altra del corpo; potete immaginare questi tipi di chip multi-tissutali come la prossima generazione di questi tipi di studi.
And so thinking about the models that we've just discussed, you can see, going forward, that tissue engineering is actually poised to help revolutionize drug screening at every single step of the path: disease models making for better drug formulations, massively parallel human tissue models helping to revolutionize lab testing, reduce animal testing and human testing in clinical trials, and individualized therapies that disrupt what we even consider to be a market at all. Essentially, we're dramatically speeding up that feedback between developing a molecule and learning about how it acts in the human body. Our process for doing this is essentially transforming biotechnology and pharmacology into an information technology, helping us discover and evaluate drugs faster, more cheaply and more effectively. It gives new meaning to models against animal testing, doesn't it? Thank you. (Applause)
E così ripensando ai modelli appena discussi, potete vedere che, andando avanti, l’ingegneria tissutale è in realtà pronta per promuovere una rivoluzione degli screening farmaceutici in ogni singola fase del percorso: creazione di modelli di malattie per formulazioni farmaceutiche migliori, modelli di tessuti umani decisamente analoghi per consentire di rivoluzionare i test in laboratorio, riduzione dei test su animali e umani negli esperimenti clinici, e terapie individualizzate che scombussolano quello che addirittura fatichiamo a considerare un mercato. Essenzialmente, stiamo accelerando in modo drastico il feedback tra lo sviluppo di una molecola e la comprensione su come agisce sul corpo umano. Il nostro processo su come farlo sta essenzialmente trasformando la biotecnologia e la farmacologia in una tecnologia informatica, in grado di aiutarci a scoprire e valutare i farmaci in modo più veloce, economico ed efficace. Dà un nuovo significato ai modelli contro la sperimentazione sugli animali, non è vero? Grazie. (Applausi)