Części ciała na chipie

Stosunkowo łatwo wyobrazić sobie nowe leki i lepsze sposoby leczenia rozmaitych chorób. Znacznie trudniejsze jest jednak przebadanie ich skuteczności, co może o lata opóźnić wprowadzenie obiecujących terapii do użytku. W swojej przekonującej prelekcji Geraldine Hamilton pokazuje sposób, w jaki jej zespół tworzy organy i części ciała na chipach, czyli prostych układach, zawierających wszystkie niezbędne elementy do testowania nowych leków, a nawet zindywidualizowanych terapii dla konkretnych osób. (Nagrano podczas TEDx w Bostonie.)

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.

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.

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.

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.

Potrzebujemy lepszych narzędzi.

Potrzebne są nam ludzkie komórki,

ale musimy znaleźć sposób, żeby były szczęśliwe,

nawet poza organizmem.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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,

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?

Może pewnego dnia uzyskamy

Geraldine na chipie,

Paulinę na chipie.

Ciebie na chipie.

Medycyna spersonalizowana. Dziękuję.

(Brawa)