Привет всем!
Познакомьтесь, это Алана.
Когда ей было 11 лет,
во время игры в баскетбол с ней произошёл ужасный случай.
Она упала, раздробив свою пателлу, то есть коленную чашечку.
Её колено удалось собрать заново.
Хирурги заново собрали её колено с помощью различных средств.
Она получила донорскую пателлу.
Ей сделали две связки из куска её подколенного сухожилия,
две биополимерные связки
и металлические пластины, чтобы удерживать всё вместе.
Она может ходить и не только,
она играет в баскетбол, софтбол, занимается гимнастикой, чем угодно.
И если спросить её, она скажет, что очень благодарна за то,
что может всё это делать.
Но у неё на всё есть своё мнение,
и она также вам скажет, что в будущем
она не представляет, что колени будут восстанавливать таким же способом.
Она считает, что можно будет вырастить свои собственные хрящи, связки и кости
из своих же собственных клеток.
И она планирует в этом участвовать.
Мы поговорим об этом попозже, но я подумала,
что стóит представить, как эта идея воплотится в жизнь.
Как же это всё начиналось? Тело 1.0.
Вот пример: это очень известный рисунок.
Это «Витрувианский человек» Леонардо Да Винчи,
в котором он изобразил схему человеческого тела,
вдохновлённый архитектурными рисунками.
Этот рисунок может служить символом
классического взгляда на тело, характерного для разных культур.
Идею того, что тело — это единое целое,
которое можно подлатать, но оно останется единым целым.
Например, египтяне использовали морские ракушки для восстановления зубов,
индийцы и китайцы совершали хирургические операции,
но по существу тело оставалось целым.
Тело было функциональной единицей, цельной функциональной единицей.
Но в ХХ веке это начало меняться.
Что же произошло?
В 1924 году здесь в Германии был изобретён первый аппарат для диализа.
В 1960 году хирург-ортопед из Бирмы использовал протез из слоновой кости,
чтобы восстановить бедро 83-летней буддистской монахини.
В 1967 году была совершена первая пересадка сердца.
Позже появились искусственное сердце, искусственное колено, многое другое.
А сама идея изменилась существенно:
тело перестало быть функциональной единицей,
мы как бы оказались на уровень глубже.
Аналогично тому, как сменные запчасти и сборочные конвейеры
в корне изменили производство,
подобное произошло и в медицине:
если какая-то часть тела переставала работать,
её можно было заменить донорской или искусственной.
Но проблема в том — и Алана это подтвердит, —
что любой инородный объект в теле вызывает появление рубцовой ткани.
Тело видит в нём угрозу и начинает атаковать.
Поэтому имплантаты такого рода
привели ко множеству интересных исследований клеток и биоматериалов
для изучения взаимодействия объектов, помещённых внутрь тела,
а также последствий этого.
Побочным результатом стало появление новой области,
области биотканевой инженерии,
в которой клетки стали функциональной единицей,
поскольку в конце концов
каждый из нас начинался с одной клетки
и именно так мы были изначально созданы.
Идея биологии развития:
«Давайте посмотрим, как это происходит на клеточном уровне»,
оказала большое влияние на эту область,
так же как и биоматериалы
и обрывки знаний, полученные из области трансплантологии.
Идея выращивания биологических протезов вместо создания металлических
стала идеей тела 3.0.
Мы перешли от нетронутого тела к телу с заменяемыми частями
и к выращиванию живых частей тела с нуля.
Выражение «с нуля» несколько неправильно,
поскольку на самом деле инженеры биотканей — это клетки.
Инженеры биотканей испытывают небольшой кризис самоопределения,
поскольку всю работу делают сами клетки.
С философской точки зрения произошёл сдвиг
от идеи «Давайте создадим бедренную кость» к идее «Давайте создадим среду»,
как некий причудливый аквариум — мы называем их биореакторами, —
который позволяет клеткам самим создавать куски кости.
Это очень интересный философский сдвиг,
и он делает работу инженеров биотканей крайне забавной и интересной.
А как известно, когда работа в радость, можно делать удивительные вещи.
Я расскажу вам о своей работе.
Моя работа относится именно к сердцу,
поэтому как примеры сердец 1.0, 2.0 и 3.0
я покажу их изображения, начиная с рисунка Леонардо,
затем изображения искусственного сердца.
Но на самом деле сердце 3.0 — это образ будущего, когда будет возможно
печатать биоткани из биоматериалов и создавать из них работающее сердце.
Но это в будущем. Что же мы можем делать сейчас?
Это видеозапись кусочка биоткани, который я создала для сердца
во время работы над диссертацией. Как видите, оно бьётся.
Значительная часть моих исследований
была сосредоточена на вопросе: как создать среду так,
чтобы клетки сердца знали, что делать?
Что действительно интересно,
не так уж много нужно, чтобы заставить клетки делать свою работу.
Им просто нужны правильная пища,
правильный материал — в данном случае коллаген —
и некоторые биофизические намёки, в данном случае электрические сигналы.
Кости, как вы можете представить,
механически действуют совершенно по-иному,
поэтому в инженерии костных биотканей
много механической нагрузки.
Но в данном случае, благодаря пище и току электрокардиостимулятора
клетки просто разбегались и строили эту биоткань.
Основная цель биотканевой инженерии, как я говорила раньше, —
это идея делать трансплантаты «на заказ».
Это очень здóрово и волнующе, но я хочу дать вам понять,
что это лишь вершина айсберга.
В качестве примера можно взять процесс тестирования лекарств.
Требуется более 10 лет и более миллиарда долларов,
чтобы вывести лекарство на рынок.
И оно должно пройти множество стадий этого процесса
от создания формул к лабораторным тестам, испытаниям на животных,
затем клиническим исследованиям, которые можно считать испытаниями на людях.
И чем позже лекарство проваливается на одном из этапов,
тем более дорогим и более потенциально опасным оно становится.
А если бы можно было использовать
кусочки искусственно созданной биоткани как замену при испытаниях?
Можно было бы уменьшить необходимость испытаний на животных,
а также и на людях.
Всё сводится к двум аспектам: во-первых, мы не крысы, —
я из Нью-Йорка, поэтому это очень важно, —
но мы используем крыс, поскольку они являются целостными организмами
и дают возможность увидеть, как лекарство ведёт себя внутри тела.
А во-вторых, какими бы похожими мы ни были друг на друга,
крохотные различия в наших ДНК
приводят к очень разным результатам в том, как лекарства усваиваются
и какой эффект они оказывают.
Если мы сможем использовать
эти искусственно созданные модели биотканей для испытаний
вместо испытаний на животных и людях,
тогда есть надежда, что удастся сократить расходы и время,
необходимые на поиск новых способов лечения.
Это схема биореактора, который мы сейчас разрабатываем.
Если мы рассчитываем, что фармацевтические компании
захотят использовать эти искусственно созданные биоткани для испытаний
вместо испытаний на животных и людях,
они должны быть предсказуемыми
и их нужно уметь создавать
в широком диапазоне масштабов.
Это схема биореактора,
который наша лаборатория разрабатывает именно с этой целью.
Он работает с помощью
открытых аппаратных средств вроде Arduino
и открытого программного обеспечения на телефонах Android.
Мы очень хотим, чтобы это работа продвигалась.
Представьте, если иметь тысячи таких биореакторов сразу,
это будет похоже на клинические испытания на чипе,
и можно сильно улучшить информацию, которую мы получаем из биологии.
Это то, что касается создания здоровых человеческих тканей.
А что, если бы мы могли копировать больную ткань?
Кевин Игган из Гарварда занимается именно этим:
используя клетки людей с генами БАС, болезнью Лу Герига,
он выращивает нейроны из этих клеток,
и эти клетки ведут себя в лаборатории
подобно тому, как пациенты с БАС ведут себя в жизни.
Если мы сможем выращивать больше этих больных биотканей в лаборатории,
мы сможем гораздо больше узнать
о механизмах болезней и надёжно их лечить.
Это пример клетки роговицы, созданной подобным способом.
Поскольку в моей семье есть случаи пигментного ретинита,
меня этот вопрос очень волнует.
Но это лишь отдельные кусочки тканей: сердце, печень, всё это.
А представьте себе, возвращаясь обратно к крысе,
ведь крыса является целостным организмом,
и, как мы знаем, если принять лекарство от давления,
оно влияет не только на сосуды, но и на печень.
Антидепрессант может метаболизироваться
и отложиться в жировой ткани.
Сейчас учёные начинают создавать микроскопические микрожидкостные системы,
в которых крохотные кусочки сердца,
печени, лёгких, кишечника находятся на одной платформе,
и мы можем изучать эти взаимодействия.
Эта область только начинает развиваться, так что следите за новостями.
А вот пример ряда клеток рака груди,
которые были изготовлены с использованием струйных технологий.
Сколько из вас —
Господи, упаси нас получить сообщение,
что у кого-то из наших близких рак, —
но разве вы не хотели бы знать, как конкретное лекарство действует
на ваш или мой конкретный рак?
Лаборатория Карена Бурга занимается именно этим,
используя струйные технологии для печати клеток рака груди на пластину.
А наши коллеги из университета Тафтса используют подобные модели
костей из искусственной ткани,
чтобы изучать, как рак может распространяться по телу.
Можно представить, что чипы, которые мы видели на последнем слайде,
станут следующим поколением,
где раковые клетки и здоровую ткань будут выращивать вместе.
Возвращаясь к этой идее, то есть к выращиванию биотканей на поверхности,
мы стараемся вырастить новую пателлу, новую связку, новую кость.
Мы выращиваем части человеческого тела, но я надеюсь убедить вас,
что на самом деле то, что мы делаем, гораздо больше.
Как побочный эффект этих исследований,
я верю, что мы на самом деле трансформируем биотехнологию
в производственную и информационную технологию.
Отделяя донорство органов от доноров органов,
мы можем разорвать связь, которая до сих пор была неразрывной
из-за совместимости и жизнеспособности биотканей.
Благодаря способности выращивать человеческие биоткани,
как здоровые, так и больные,
мы сможем гораздо точнее ответить на вопросы
и получить больше информации, чем когда-либо прежде,
о том, как лекарства повлияют на людей.
И тот факт, что всё это происходит одновременно —
похожие прорывы происходят
в производстве, в информационных технологиях —
тот факт, что существуют 3D-печать, открытые аппаратные средства,
открытое программное обеспечение, новые инструменты для сотрудничества, —
всё это так замечательно
и способствует дальнейшему ещё более интересному сотрудничеству.
Как исследователь, который получает удовольствие от работы в этой области,
я приглашаю вас поделиться мыслями о том, каким будет тело 4.0.
Большое спасибо за ваше время.
(Аплодисменты)