Части тела на чипе

Относительно легко представить новое лекарство, лучшее средство от какого-то заболевания. Сложность заключается в его тестировании, которое может отсрочить запуск многообещающих лекарств на годы. В этом хорошо аргументированном выступлении Джеральдина Гамильтон демонстрирует, как её лаборатория создаёт органы и части тела на чипе, простые структуры со всеми необходимыми элементами для тестирования новых лекарственных препаратов — и даже сделанных на заказ препаратов для одного конкретного человека. (Снято на TEDxBoston)

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.

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.

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.

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.

Нам нужны лучшие инструменты.

Нужны человеческие клетки,

но нужно найти способ
поддерживать их счастливыми

за пределами тела.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Как предотвратить их?

Мы могли бы представить, что однажды

у нас будет Джеральдина на чипе,

Даниэль на чипе,

вы на чипе.

Персонифицированная медицина.
Спасибо.

(Аплодисменты)