Lidské orgány na čipu

Představit si nový druh medicíny, která bude znamenat lepší léčbu některých nemocí, je poměrně snadné. Nejtěžší ale bývá nové léky otestovat, což může zpozdit jejich uvedení na trh o celé roky. Geraldine Hamiltonová názorně ukazuje, jak ve své laboratoři přivádí k životu lidské orgány na čipech. Jsou to jednoduché konstrukční prvky, obsahující všechny části nezbytné pro testování nových medikamentů – a mohou být dokonce přizpůsobeny na míru konkrétním lidem. (Natočeno na TEDxBoston)

Držíme dnes ve svých rukou

celosvětovou zdravotnickou výzvu.

Problém spočívá v tom, že způsob,

jakým objevujeme a vyvíjíme nové léky,

je příliš drahý, zabere nám spoustu času

a častěji končí selháním než úspěchem.

Prostě to nefunguje. Znamená to,

že se pacientům, kteří to zoufale potřebují,

nedostávají nové způsoby léčby

a nemoci zůstávají neléčené.

Vypadá to, že utrácíme víc a víc peněz.

Za každou miliardu dolarů,
kterou utratíme za vědu a výzkum,

získáváme méně léků schválených pro trh.

Více peněz, méně léků. Hmm.

Takže o co tady jde?

Ve hře je mnoho faktorů,

já ale myslím, že jedním z klíčových faktorů je,

že nástroje, které dnes používáme

k testování, zda bude lék fungovat,

jestli je účinný

nebo jestli bude bezpečný,

než ho zařadíme do klinických zkoušek na lidech,

selhávají. Nedá se předem určit,

jaké účinky bude mít lék na lidi.

K dispozici máme

dva hlavní nástroje.

Těmi nástroji jsou buňky v miskách
a testování na zvířatech.

Nejdřív se pojďme bavit o prvním způsobu,
o buňkách v misce.

Buňky si spokojeně pracují v našich tělech.

My je vezmeme a vytrhneme je

z jejich přirozeného prostředí,
vhodíme je do misky

a očekáváme od nich, že budou fungovat.

A hádejte, co se stane. Nefungují.

Nelíbí se jim v novém prostředí,

protože nemá nic společného s tím

jak se měly v těle.

A co testování na zvířatech?

Zvířata mohou být a jsou zdrojem

velmi užitečných informací.

Učí nás o tom, co probíhá

ve složitých organismech.

Dozvídáme se víc o samotné biologii.

Avšak častěji se stane,

že testy na zvířatech neodpovídají na otázku,
jaký účinek bude mít na lidi

léčba tím kterým lékem.

Takže potřebujeme lepší nástroje.

Potřebujeme lidské buňky,

ale musíme najít způsob,
jak je udržet spokojené

mimo tělo.

Naše tělo je dynamické prostředí.

Jsme neustále v pohybu.

A naše buňky jsou na to zvyklé.

Jsou součástí dynamického prostředí
v našem těle.

Jsou pod neustálým tlakem mechanických sil.

Takže pokud chceme,
aby buňky žily spokojeně

i mimo naše těla,

musíme se stát buněčnými architekty.

Musíme navrhnout, vybudovat a zařídit

buňkám domov jinde.

Ve Wyss Institute

jsme právě to provedli.

Říkáme tomu orgány na čipu.

Jeden tady mám.

Je nádherný, že?
A je neuvěřitelný.

Zde držím dýchací orgán,

živé lidské plíce na čipu.

Nejsou jen nádherné.

Zvládájí ohromné množství věcí.

Na tom malém čipu máme živé buňky,

které jsou v dynamickém prostředí

a vzájemně na sebe působí s jinými typy buněk.

Mnozí už se pokoušeli

pěstovat buňky v laboratoři.

Zkoušeli mnoho odlišných přístupů.

Dokonce se v laboratoři pokoušeli
vypěstovat malé mini-orgány.

My na to jdeme jinak.

Jednoduše na tom malinkém čipu

oživíme

nejmenší funkční jednotku,

která představuje biochemii,

funkce a mechanické zatížení,

jaké buňky znají z našeho těla.

Jak to funguje? Ukážu vám to.

Používáme techniky známé z výroby

počítačových čipů,

abychom tyto struktury vyrobili v měřítku,

odpovídajícímu jak buňkám,
tak jejich prostředí.

Máme tři fluidní kanály.

Uprostřed je porézní, pružná membrána,

na kterou můžeme nanášet buňky

třeba z našich plic

a vespod jsou kapilární buňky

odebrané z našich cév.

Na čip pak působíme mechanickými silami,

které napínají a stlačují membránu,

takže buňky mají dojem, že na ně působí
stejné mechanické zatížení,

jako při dýchání.

Mají stejné podmínky jako uvnitř těla.

Horním kanálem proudí vzduch

a krevní kanál přivádí kapalinu,

která obsahuje živiny.

Čip je opravdu překrásný,

ale co se s tím vším dá dělat?

Do těchto malých čipů dokážeme

vměstnat neuvěřitelné funkce.

Předvedu vám to.

Například umíme napodobit infekci,

pokud k plicním buňkám přidáme buňky bakterií.

Pak můžeme přidat bílé krvinky.

Bílé krvinky chrání naše tělo

proti bakteriálním vetřelcům

a když zavětří infekční zánět,

prostoupí krví do plic

a pohltí bakterie.

Teď uvidíte naživo, jak to probíhá

ve skutečných plicích, umístěných na čipu.

Bílé krvinky jsme označili,
aby bylo vidět, jak proudí kolem

a když zaznamenají infekci,

začnou se zachytávat.

Přichytí se a pak zkoušejí krevním kanálem

prostoupit do plic.

Tady vidíte, že vlastně můžeme zobrazit

cestu jedné bílé krvinky.

Zachytí se, klestí si cestu

mezi vrstvami buněk, prochází pórem,

vychází na druhé straně membrány

a tam se chystá pohltit bakterii

označenou zeleně.

V prostředí malinkatého čipu
jste se právě stali svědky

jedné z nejzákladnějších reakcí,

kterou naše tělo odolává infekci.

Je to způsob, jak reagujeme na --
imunitní odezvy.

Je to docela vzrušující.

Nyní bych vám chtěla ukázat tenhle obrázek,

nejen protože je tak nádherný,

ale protože z něho získáváme
obrovské množství informací o tom,

jak se buňkám daří uvnitř čipů.

Ukazuje, že buňky

z malých dýchacích cest v plicích,

mají vlastně tuhle vlasovitou podobu,

která je pro ně příznačná.

Nazýváme je řasinky

a ty přesouvají hlen z plic ven.

Ano. Hlen. Fuj.

Ale hlen je vlastně velmi důležitý.

Zachytává částice, viry,

potenciální alergeny

a tyhle malé řasinky

stěhují hlen a odstraňují ho.

Když jsou poškozené,

dejme tomu cigaretovým kouřem,

nefungují správně a hlen neodstraňují.

A to může vést k nemocem
jako je zánět průdušek.

Řasinky a likvidace hlenu

se také podílí na hrozných nemocech
jako je cystická fibróza.

Ale teď, s funkcemi,
které jsme vpravili do čipů,

se můžeme porozhlédnout

po potenciální nové léčbě.

Plíce na čipu jsou jenom začátek.

Na čipu máme střevo.

Tady ho můžete vidět.

Umístili jsme sem buňky

z lidského střeva,

které jsou v neustálém peristaltickém pohybu,

tímto proudem prosakujícím buňkami

a my můžeme napodobit spoustu funkcí,

které jsou u lidského střeva

obvyklé.

Můžeme začít modelovat nemoci

jako je syndrom dráždivého tračníku.

Je to nemoc, která se dotýká

velkého počtu osob.

Je opravdu vysilující

a neexistuje na ni mnoho vhodných léků.

Máme celý řetězec čipů,

vytvořený z různých orgánů,

na kterých v našich laboratořích pracujeme.

Avšak skutečná síla této technologie

vychází ze skutečnosti,

že můžeme kanály propojovat.

Přes buňky proudí kapalina,

takže můžeme začít propojovat

různé čipy dohromady

a vytvářet tak něco, čemu říkáme
virtuální člověk na čipu.

Jsme z toho opravdu nadšení.

Nechystáme se rekonstruovat
z čipů celého člověka,

ale naším cílem je umět reprodukovat

postačující funkcionalitu,

abychom mohli lépe předvídat,

co se bude dít v lidském těle.

Například odteď můžeme zkoumat,

co se děje, když podáváme lék
v podobě aerosolu.

Když ti z vás, kteří trpí astmatem jako já,
použijí inhalátor,

můžeme zkoumat, jak lék vniká do plic,

jak vstupuje do těla

a jaký třeba může mít vliv na vaše srdce.

Ovlivní lék tlukot vašeho srdce?

Je toxický?

Dokážou ho játra odbourat?

Je metabolizovaný v játrech?

Vyloučí ho ledviny?

Můžeme začít studovat

dynamické reakce těla na účinky léku.

To by mohlo opravdu způsobit revoluci

a dramaticky změnit budoucnost

nejen ve farmaceutickém průmyslu,

ale také v celé řadě rozličných odvětví,

včetně kosmetického průmyslu.

Na čip můžeme třeba umístit kůži,

kterou právě vyvíjíme v laboratoři,

abychom otestovali,
jestli jsou složky produktu,

kterým jste se právě natřeli,
bezpečné pro vaši kůži,

aniž by je bylo třeba testovat na zvířatech.

Mohli bychom testovat bezpečnost chemikálií,

kterým jsme každý den vystaveni

v našem životním prostředí,

třeba takových, jako jsou
běžné čistící prostředky.

Mohli bychom také na čipy umístit orgány,

na které se zaměřují bioteroristé

nebo jež jsou vystavovány radiaci.

Mohli bychom je použít k rozpoznání nemocí

jako je ebola

nebo jiných smrtelných nemocí, jako je SARS.

Orgány na čipech by mohly v budoucnu

změnit způsob provádění klinických testů.

Dneska je typický účastník

klinických testů: průměrný.

Bývá to žena středního věku.

Nenašli byste mnoho takových testů,

do kterých jsou zapojené děti,

zatím dáváme každý den dětem léky

a jediná bezpečná data, která o nich známe,

jsou ta, která jsme získali
testováním dospělých.

Děti nejsou dospělí.

Děti nereagují na léky stejně jako dospělí.

Jsou i jiné věci, jako třeba genetické rozdíly

mezi populacemi,

které mohou vést k jejich ohrožení

vlivem nežádoucích reakcí na léky.

Představte si, že bychom mohli vzít
buňky různým věkovým skupinám lidí,

umístit je na čipy

a vytvořit populační skupiny lidí na čipech.

To by opravdu mohlo změnit způsob

provádění klinických testů.

A tohle je tým a lidé okolo,
kteří se tím zabývají.

Máme inženýry, máme buněčné biology,

máme klinické lékaře,
kteří všichni spolupracují.

Ve Wyss Institute pozorujeme něco

zcela neuvěřitelného.

Pozorujeme, jak dochází ke sbližování oborů,

kdy biologie ovlivňuje způsob,
jakým navrhujeme,

konstruujeme, stavíme.

Je to docela vzrušující.

Navazujeme důležité vazby s průmyslem,

například spolupracujeme se společností,

která má zkušenosti s digitální výrobou ve velkém měřítku.

Pomohou nám s výrobou

ne jednoho,

ale miliónů těchto čipů,

aby se dostaly do rukou

co největšímu počtu výzkumníků.

A to je klíč k otevření potenciálu
této technologie.

Dovolte mi, abych vám
předvedla naše zařízení.

Je to prototyp, který naši inženýři

konstruují v laboratoři

a tento přístroj nám poskytuje

ovládací prvky, které budeme potřebovat,

abychom propojili 10 nebo i více orgánů
na čipech dohromady.

Má něco velmi důležitého.

Nabízí jednoduché uživatelské rozhraní.

Takkže buněční biologové, jako jsem já,
mohou přijít, vzít čip,

umístit ho do kazety,

jako tento prototyp, který zde vidíte,

kazetu vložím do přístroje

jako do CD přehrávače

a můžu jít.

Zapojím a funguje. Snadné.

Pojďme se spolu zasnít o tom,

co by to znamenalo pro budoucnost,

kdybych mohla vzít vaše kmenové buňky

a dát je na čip

nebo třeba ty vaše a dát je na čip.

Byl by to čip přizpůsobený konkrétně vám.

Všichni zde jsme různí jedinci

a rozdíly mezi jedinci znamenají,

že budeme na léky reagovat

rozdílně a někdy i neočekávaně.

Já sama jsem před pár lety
měla opravdu hrozné bolesti hlavy,

nemohla jsem se jí zbavit a říkala jsem si
„Zkusím něco jiného.“

Vzala jsem si nějaký Advil.
Patnáct minut nato

už mě vezli na pohotovost

s plně rozvinutým astmatickým záchvatem.

Nebylo to samozřejmě smrtelné,

ale naneštěstí některá z těchto reakcí

na nežádoucí účinky léku
smrtelná být může.

Jak jim tedy můžeme předcházet?

Představte si, že jednou budeme mít

Geraldinu na čipu,

Danielu na čipu,

že vy budete na čipu.

Představte si individuální medicínu. Děkuji.

(Potlesk)