Il tuo corpo su un microchip: Geraldine Hamilton a TEDxBoston

Lo sviluppo di nuove medicine è problematico perché i laboratori non sono in grado di riprodurre l'ambiente del corpo umano, rendendo difficile determinare come i pazienti reagiranno alle cure. A TEDxBoston, Geraldine Hamilton dimostra come gli scienziati possano impiantare cellule umane su microchip che imitano le condizioni del corpo. Questi "organi-su-chip" possono essere usati per studiare la tossicità delle medicine, identificare nuove potenziali terapie, e potrebbero condurre a esperimenti clinici più sicuri.

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)