Oggi abbiamo tra le mani una sfida sanitaria globale
vale a dire, che il modo in cui attualmente scopriamo e sviluppiamo
nuovi farmaci è troppo costoso,
richiede troppo tempo
e fallisce più spesso di quanto non riesca.
Semplicemente non funziona
e questo vuol dire che i pazienti che hanno davvero bisogno di nuove terapie
non le ricevono e le malattie non vengono curate.
Sembra che si spendano sempre più soldi
e per ogni miliardo di dollari che investiti in Ricerca e Sviluppo,
meno farmaci vengono approvati sul mercato.
Più soldi, meno medicine. Cosa sta succedendo?
Ci sono molti fattori in gioco,
ma credo che uno dei fattori chiave sia
che gli strumenti che abbiamo attualmente a disposizione
per verificare se una medicina funzionerà,
se sarà efficace o sicura
prima che vengano fatti test clinici sugli esseri umani, sono deludenti.
Non prevedono l'effetto sugli esseri umani
e abbiamo due strumenti principali a disposizione:
le cellule in vitro e i test sugli animali.
Parliamo del primo: le cellule in vitro
Le cellule funzionano bene nel nostro corpo,
noi le prendiamo, le strappiamo al loro ambiente naturale,
le buttiamo su un vetrino e ci aspettiamo che funzionino.
Indovinate un po'? Non funzionano.
Non gli piace l'ambiente,
perché non assomiglia per niente a quello del corpo.
Parliamo dei test sugli animali.
Gli animali possono fornire informazioni molto utili.
Ci insegnano quello che accade in un organismo complesso,
conosciamo meglio la stessa biologia.
Comunque, spesso e volentieri,
i modelli animali non riescono a prevedere cosa accadrà negli esseri umani
quando vengono curati con un certo farmaco.
Quindi, ci servono strumenti migliori.
Ci servono cellule umane, ma dobbiamo trovare un modo
per mantenerle attive fuori del corpo.
Prima che vi dica come lo facciamo,
facciamo un piccolo esercizio insieme.
Bene. Chiudete gli occhi, tutti quanti,
forza, anche voi in fondo, ché vi vedo, chiudete gli occhi,
forza, lo faccio anch'io insieme a voi.
Fate un respiro profondo ed espirate,
di nuovo, inspirate ed espirate.
Ora sentite il battito del vostro cuore,
sentitelo mentre pompa il sangue in tutto il corpo.
E ora, ondeggiate un po' sulle sedie
dai, muovetevi, su, siete seduti da un bel po'.
Va bene, aprite gli occhi.
Oltre ad essere un esercizio divertente e ottimo per rilassarsi,
ci aiuta a dimostrare che tutti i corpi sono ambienti dinamici.
Siamo in continuo movimento. Le nostre cellule lo sentono.
Si trovano in ambienti dinamici nel nostro corpo.
Sono sottoposte a forze meccaniche costanti.
Quindi, se vogliamo che le cellule stiano bene fuori del corpo
dobbiamo diventare architetti delle cellule.
Dobbiamo progettare, costruire e ideare
per le cellule una dimora in cui possano sentirsi a casa.
All'Istituto Wyss, l'abbiamo fatto.
Lo abbiamo chiamato "organo su un chip", e ne ho uno proprio qui.
Fantastico, vero?
È piuttosto incredibile, proprio qui nella mia mano
c'è un polmone-umano-su-chip che respira e vive.
Ma non è soltanto bello:
può fare una straordinaria quantità di cose.
Ci sono cellule vive su quel piccolo chip,
cellule che sono ambienti dinamici,
che interagiscono con tipi diversi di cellule.
Molte persone hanno provato a far crescere cellule in un laboratorio,
molti approcci diversi sono stati tentati.
Hanno anche provato a far crescere mini organi in laboratorio.
Non è quello che cerchiamo di fare noi,
noi cerchiamo solo di ricreare, in questo minuscolo circuito,
la più piccola unità funzionale che rappresenti la biochimica,
la funzione e la sollecitazione meccanica
che le cellule avvertono nei nostri corpi.
Come funziona?
Ve lo mostro.
Usiamo tecniche che provengono dall'industria manifatturiera dei circuiti integrati
per rendere tali strutture in scala
adeguata sia alle cellule sia al loro ambiente.
Abbiamo tre canali fluidici.
Al centro, c'è una membrana porosa e flessibile
su cui possiamo aggiungere cellule umane, ad esempio, dei pomoni
e sotto, ci sono cellule di capillari,
le cellule dei nostri vasi sanguigni.
Possiamo quindi applicare al circuito forze meccaniche
che allungano e contraggono la membrana,
così le cellule avvertono le stesse forze meccaniche
che avvertivano quando noi respiravamo,
nello stesso modo in cui le provavano nel corpo.
L'aria scorre attraverso il canale in cima
quindi immettiamo un liquido che contiene sostanze nutritive,
attraverso il canale ematico.
Il chip è davvero fantastico.
Ma, per cosa possiamo usarlo?
Quando faccio questa domanda, che spesso scatena molte idee,
molti dei miei colleghi presentatori di TEDx hanno suggerito
di farne dei gioielli.
(Eisate)
Penso che una collana di "polmoni-su-chip" sarebbe senz'altro molto carina.
Comunque, serve a molto più di questo.
Possiamo ottenere livelli di funzionalità incredibili dentro questi piccoli circuiti.
Vi faccio vedere: potremmo, per esempio,
provocare un'infezione, introducendo nel polmone cellule batteriche,
poi possiamo aggiungerci leucociti umani.
I leucociti sono la difesa del corpo contro i batteri invasori
e quando avvertono l'infiammazione causata dall'infezione,
passeranno dal sangue al polmone,
fagocitando i batteri.
Adesso, vedrete dal vivo come questo accade
in un vero polmone-su-chip umano.
Abbiamo marcato i leucociti in modo che possiate vederli fluire
ed iniziare ad attaccare quando rilevano l'infezione.
Attaccano e poi provano a
entrare nel polmone dal canale ematico.
Come potete vedere qui, possiamo effettivamente visualizzare
un singolo leucocita.
Si attacca, si fa strada dimenandosi attraverso gli strati cellulari,
attraverso il poro, esce dall'altra parte della membrana
e da lì inghiottirà il batterio marcato in verde.
In questo piccolo chip, avete appena assistito
ad una delle reazioni fondamentali del nostro corpo verso un'infezione.
È il modo in cui reagiamo, una reazione immunitaria.
È davvero entusiasmante.
Ora voglio condividere con voi questa foto.
Voglio mostrarvela perché è una fotografia bellissima.
È quasi artistica.
Come biologa cellulare, potrei stare tutto il giorno a guardare foto come questa.
A voi volevo mostrarla,
non solo perché è davvero bella,
ma perché ci fornisce un'enorme quantità di informazioni
su ciò che le cellule fanno all'interno dei chip.
Ci dice che queste cellule, provenienti dalle piccole vie aeree nei nostri polmoni,
presentano realmente queste strutture simili a capelli
che è normale aspettarsi di vedere in un polmone.
Queste strutture si chiamano ciglia e in realtà allontanano
il muco dal polmone. Si, muco, puah!
Ma il muco invece è molto importante.
Il muco intrappola particolati, virus, potenziali allergeni
e queste piccole ciglia spostano e rimuovono il muco.
Quando vengono danneggiati, ad esempio dal fumo di sigaretta,
non funzionano come dovrebbero e non riescono ad eliminare il muco,
cosa che può causare malattie come la bronchite.
Le ciglia e lo smaltimento del muco sono coinvolti in orribili malattie,
come la fibrosi cistica.
Ma oggi, con la funzionalità ottenuta in questi chip,
possiamo cominciare a cercare nuove potenziali cure.
Non ci siamo fermati al pomone-su-chip,
abbiamo un intestino-su-chip,
potete vederne uno qui.
Abbiamo inserito cellule intestinali umane nel nostro intestino-su-chip,
dove sono sottoposte a movimento peristaltico costante,
questo flusso che scorre attraverso le cellule,
e possiamo imitare molte delle funzioni
che normalmente ci si aspetta di osservare in un intestino umano.
Adesso possiamo cominciare a creare modelli di malattie
come la sindrome dell'intestino irritabile.
Si tratta di una malattia che affligge un gran numero di soggetti,
è estremamente debilitante
e non esistono terapie realmente efficaci per curarla.
Abbiamo in cantiere una serie di diversi organi su chip
ai quali stiamo attualmente lavorando nei nostri laboratori.
Ad ogni modo, Il vero potere di questa tecnologia
viene dal fatto che possiamo collegarli in modo fluido.
Un fluido scorre attraverso queste cellule,
così possiamo cominciare a connettere chip diversi tra loro
per formare quello che chiamiamo essere-umano-su-chip virtuale.
Ora stiamo cominciando a entusiasmarci sul serio.
Non ricreeremo mai un essere umano completo in questi chip
ma il nostro obiettivo è essere in grado di ricreare funzionalità sufficienti
in modo da poter prevedere meglio
quello che accadrà negli esseri umani.
Oggi possiamo, ad esempio, cominciare a esplorare cosa accade
quando inseriamo un farmaco come quello per l'aerosol.
Chi come me soffre di asma, quando usa l'inalatore,
adesso può osservare il modo in cui quel farmaco arriva nei polmoni
come entra nel corpo, quali effetti può avere sul cuore,
se ha effetti sul battito cardiaco.
È tossico?
Viene smaltito dal fegato?
È metabolizzato nel fegato?
Viene escreto nei reni?
Possiamo iniziare a studiare le reazioni dinamiche
del corpo verso un farmaco.
Potrebbe davvero trattarsi di una rivoluzione, di un punto di svolta
non solo per l'industria farmaceutica,
ma per tutta una serie di settori,
compresa l'industria cosmetica.
Quante di voi hanno il rossetto?
O hanno usato sapone nella doccia stamattina?
Potremmo usare la pelle-su-chip,
che stiamo attualmente sviluppando in laboratorio,
per verificare che gli ingredienti presenti nei prodotti che usiamo
siano effettivamente sicuri da applicare sulla pelle
senza bisogno di test sugli animali.
Potremmo testare la sicurezza dei prodotti chimici ai quali siamo esposti
quotidianamente nel nostro ambiente,
come i prodotti contenuti nei detersivi domestici.
Potremmo anche usare applicazioni di organi-su-chip
per le conseguenze del bioterrorismo, o per esposizione a radiazioni.
Potremmo usarli per saperne di più su malattie
come l'Ebola o altre malattie mortali come la SARS.
Perché sono così utili?
Perché non si può chiedere a un volontario in una sperimentazione clinica
"Lascia che ti esponga ad una serie di radiazioni,
per vedere se questo nuovo farmaco sia veramente in grado di riparare i danni."
Questo non accadrà mai.
Ma i nostri organi-su-chip offrono nuove possibilità.
Cosa cambia nelle sperimentazioni cliniche?
Gli organi-su-chip potrebbero anche cambiare il modo
di fare la sperimentazione clinica in futuro.
Attualmente, la media dei partecipanti alle sperimentazioni ha queste caratteristiche:
è nella media, tende ad essere di mezza età, tende ad essere di sesso femminile.
Non troverete molte sperimentazioni cliniche in cui siano coinvolti bambini.
Eppure ogni giorno diamo farmaci ai bambini
e gli unici dati che possediamo sulla sicurezza di quei farmaci
li abbiamo ottenuti dagli adulti.
I bambini non sono adulti,
potrebbero non reagire allo stesso modo degli adulti.
Ci sono altre cose, come le differenze genetiche tra i popoli
che potrebbero condurre a popolazioni a rischio
che rischiano, cioè, di avere reazioni avverse al farmaco.
Immaginate se potessimo avere cellule da tutte le diverse popolazioni,
metterle su chip e creare popoli-su-chip.
Potrebbe davvero cambiare il modo in cui conduciamo le sperimentazioni.
Vi ho raccontato
di un lavoro incredibile e di una tecnologia straordinaria.
E questa è la squadra, queste sono le persone che se ne occupano.
Ci sono ingegneri, biologi cellulari, clinici
che lavorano tutti insieme.
Stiamo assistendo a qualcosa d'incredibile al Weyss Institute,
è un vero e proprio punto di convergenza tra discipline,
in cui biologia e ingegneria stanno veramente unendosi.
La biologia sta davvero influenzando il nostro modo di progettare
d'ideare, di costruire.
È davvero entusiasmante, e sta succedendo proprio qui a Boston.
Ed è davvero fantastico perché a Boston possiamo collaborare con facilità
con molte istituzioni accademiche, ospedali e industrie.
Ed è proprio ciò che stiamo facendo.
Stiamo istituendo collaborazioni industriali importanti,
come, ad esempio, quella con una compagnia
che si occupa di produzione digitale su su larga scala.
Ci aiuteranno a fare, invece che uno,
milioni di questi chip,
in modo che possiamo renderli disponibili al maggior numero di ricercatori possibile.
E questa è la chiave del potenziale di tale tecnologia.
Vorrei farvi vedere ora il nostro strumento.
Questo è uno strumento che i nostri tecnici
stanno attualmente sviluppando, in laboratorio,
uno strumento che ci fornirà i controlli ingegneristici
che ci serviranno per collegare insieme
dieci o più organi-su-chip.
Ma fa anche qualche altra cosa molto importante:
crea una semplice interfaccia utente, in modo che una biologa cellulare come me possa arrivare,
prendere un chip, metterlo in una cartuccia come il prototipo che vedete qui,
mettere la cartuccia nella macchina, come fareste per un CD, e via.
Pronto all'uso. Semplice.
Immaginate un po' come potrebbe essere il futuro
se io potessi prendere le tue cellule staminali e metterle su chip
o le tue cellule staminali e metterle su chip.
Ci sarebbe un chip personalizzato solo per te.
Tutti noi, qui, siamo individui.
E le differenze individuali
significano che potremmo reagire in modi molto diversi,
e a volte imprevedibili, ai farmaci.
Io stessa, alcuni anni fa, ho avuto un orrendo mal di testa.
Non riuscivo a farlo passare,
così ho pensato "proverò qualcosa di diverso". Ho preso un po' di Advil
e 15 minuti dopo, ero al pronto soccorso
con attacco d'asma in piena regola.
Evidentemente, non è stato fatale, ma purtroppo
alcune reazioni avverse ai farmaci possono essere fatali.
Come facciamo a prevenirle?
Possiamo immaginare che un giorno avremo Geraldine-su-chip,
Danielle-su-chip e tutti voi-su-chip.
Medicina personalizzata.
Grazie.
(Applausi)