Lichaamsdelen op een chip

Het is vrij gemakkelijk een nieuw geneesmiddel of een betere behandeling voor een bepaalde ziekte te bedenken. Testen is moeilijker. Het kan de beloofde behandeling jaren vertragen. In deze talk wordt door Geraldine Hamilton duidelijk uitgelegd hoe haar lab organen en lichaamsdelen maakt op een chip. Eenvoudige bouwsels met alle essentiële onderdelen voor het testen van nieuwe geneesmiddelen -- zelfs als het maar voor één enkele persoon is.
(Gefilmd op TEDxBoston)

Er is een wereldwijde uitdaging

in de gezondheidszorg.

De manier waarop we tegenwoordig

nieuwe medicijnen ontdekken en ontwikkelen

is veel te duur en duurt veel te lang.

Het mislukt vaker dan dat het lukt.

Het werkt gewoon niet, en dat betekent

dat patiënten die nieuwe therapieën nodig hebben,

ze niet krijgen,

en dat ziektes niet worden behandeld.

We besteden er steeds meer geld aan.

Voor elke miljard dollar
die we besteden aan R&D,

krijgen we minder geneesmiddelen
op de markt.

Meer geld, minder geneesmiddelen. Hmm.

Wat is hier aan de hand?

Er spelen veel factoren een rol.

Een van de belangrijkste is

dat de middelen die we hebben,
er niet in slagen

om te testen of het geneesmiddel werkt,

of het doeltreffend is,

of het veilig is

voordat we het op mensen gaan uitproberen.

Ze voorspellen niet goed

wat het op mensen doet.

We hebben twee technieken
tot onze beschikking.

Dat zijn cellen in petrischalen en dierproeven.

Over de eerste, cellen in schalen:

cellen doen het goed in ons lichaam.

Dan pakken we ze uit hun natuurlijke omgeving,

en gooien ze in deze schalen,

en verwachten dat ze het doen.

En wat denk je? Ze doen het niet.

Ze vinden die omgeving niet fijn

want het is heel anders

dan in het lichaam.

En dierproeven dan?

Dieren kunnen enorm veel

nuttige informatie geven.

Ze leren ons wat er gebeurt

in een ingewikkeld organisme.

We komen meer te weten
over de biologie zelf.

Maar vaak blijkt dat dieren

toch anders reageren dan mensen

als ze behandeld worden met een geneesmiddel.

Dus hebben we betere technieken nodig.

We hebben menselijke cellen nodig,

maar we moeten een manier vinden
om ze goed te laten gedijen

buiten het menselijk lichaam.

Ons lichaam is een dynamische omgeving.

We zijn altijd in beweging.

Onze cellen ervaren dat.

Ze zitten in ons lichaam in
een dynamische omgeving.

Ze ervaren continu mechanische krachten.

Als we dus cellen blij willen maken

buiten ons lichaam,

moeten we cel-ontwerper worden.

We moeten een plek ontwerpen en bouwen

buiten de natuurlijke plek voor cellen.

Op het Wyss-instituut

hebben we dat gedaan.

We noemen het een orgaan-op-een-chip.

Ik heb er hier een.

Hij is mooi hè? Hij is echt ongelooflijk.

Hier heb ik een ademende, levende

menselijke long op een chip.

Hij is niet alleen mooi.

Hij kan enorm veel dingen doen.

We hebben op die kleine chip levende cellen

die leven in een dynamische omgeving.

Samenlevend met verschillende typen cellen.

Er zijn veel mensen

die proberen cellen te kweken in het laboratorium.

Ze hebben dat op verschillende
manieren geprobeerd.

Ze hebben zelfs geprobeerd
om mini-organen te kweken.

Dat proberen we hier niet.

We proberen op deze mini-chip

gewoon de kleinste eenheid

te maken die nog werkt

en de biochemie vertegenwoordigt.

De functie en de mechanische druk

die cellen ervaren in ons lichaam.

Dus hoe werkt dat? Ik zal het uitleggen.

We gebruiken technieken

uit de computerchip-industrie,

om deze weefsels, die relevant zijn voor de cel en zijn omgeving,

op schaal te maken.

We hebben drie vloeistofkanalen.

In het midden zit een poreuze
flexibele membraan

waar we menselijke cellen kunnen toevoegen

van bijvoorbeeld longen.

Eronder hebben ze capillaire cellen,

de cellen in onze aders.

We kunnen ook mechanische krachten
op de chip uitoefenen

die het membraan rekken en strekken.

De cellen ondergaan dezelfde krachten

als wanneer wij ademen.

Dat voelt net als in het lichaam.

Er stroomt lucht door het bovenste kanaal.

Door het bloedkanaal laten we

een vloeistof stromen met voedingsstoffen.

De chip is nu echt mooi,

maar wat kunnen we ermee doen?

Er kan ongelooflijk veel

met deze kleine chips.

Ik zal het laten zien.

We kunnen bijvoorbeeld
een besmetting naspelen,

waarbij we bacteriën in de long doen

en menselijke witte
bloedlichaampjes toevoegen.

Witte bloedcellen zijn de
menselijke verdediging

tegen bacteriële aanvallen.

Als ze een ontsteking
door een infectie voelen,

dan gaan ze vanuit het bloed naar de long

en overspoelen de bacterie.

Dat ga je nu in het echt zien

in de menselijke long op de chip.

We hebben de witte bloedcellen gemerkt
zodat je ze ziet gaan,

en als ze een infectie ontdekken

blijven ze zitten.

Ze proberen dan vanuit het bloedkanaal

in de long te komen.

Zoals je ziet, kunnen we

een enkele witte bloedcel zichtbaar maken.

Ze blijft zitten en kronkelt zich een weg

tussen de cellagen door de poriën,

naar de andere kant van het membraan,

en verzwelgt daar de bacterie,

hier in het groen.

Je hebt zojuist in dit chipje

de basisreactie gezien
die ons lichaam heeft op een infectie.

Zo reageren wij erop -- een immuunreactie.

Dat is nogal wat.

Ik wil jullie deze foto laten zien.

Niet omdat hij zo mooi is,

maar omdat hij ons veel informatie geeft

over het gedrag van de cellen in de chips.

Deze cellen uit kleine luchtwegen
in de longen,

hebben deze haarachtige structuur,

die je ook zou verwachten in longen.

Ze worden cilia genoemd.

Ze werken het slijm uit de longen.

Ja, slijm. Bah.

Maar slijm is erg belangrijk.

Slijm vangt stofjes, virussen,

allergenen,

en deze cilia bewegen

het slijm naar buiten.

Als ze beschadigen, door bijvoorbeeld

rook van sigaretten,

werken ze niet goed en
kunnen ze het slijm niet verwijderen.

Dat kan leiden tot ziektes als bronchitis.

Cilia en het verwijderen van slijm

hebben ook te maken met ernstige ziektes
als cystische fibrose.

De chips geven ons de kans te zoeken

De chips geven ons de kans te zoeken

naar nieuwe behandelmethoden.

We deden meer dan een long op een chip.

We hebben een darm-op-een-chip.

Hier zie je er een.

We hebben ook intestinale cellen

in een darm op een chip gemaakt.

Ze bewegen continu peristaltisch.

Deze beweging door de cellen.

We kunnen veel van deze functies nabootsen

zoals je verwacht te zien

in de menselijke darmen.

We kunnen ondertussen modellen
maken van ziektes

zoals prikkelbaredarmsyndroom.

Dat is een aandoening

waar veel mensen aan lijden.

Het is echt slopend.

Er zijn niet veel goede behandelingen voor.

We hebben een hele serie

verschillende orgaanchips

waar we in onze laboratoria aan werken.

De kracht van deze technologie

komt van het feit

dat we ze kunnen koppelen met stromen.

Er stroomt vloeistof door deze cellen,

dus kunnen we ze onderling verbinden.

Meerdere chips aan elkaar,

om er een virtuele mens mee te maken.

Dit wordt pas spannend.

We gaan geen echte mens maken
met deze chips,

maar wat we willen,

is zoveel functies toevoegen

dat we daarmee beter kunnen voorspellen

wat er gebeurt in mensen.

We kunnen bijvoorbeeld onderzoeken

wat er gebeurt als we iets
met een inhalator geven.

Voor mensen die zoals ik astma hebben
en een inhalator gebruiken,

kunnen we onderzoeken
hoe het in je longen komt,

je lichaam binnengaat,

hoe het op je hart werkt.

Verandert het je hartslag?

Is het giftig?

Wordt het er door de lever uitgefilterd?

Wordt het omgezet door de lever?

Wordt het door de nieren uitgescheiden?

We kunnen de dynamische reactie

van het lichaam op het middel bestuderen.

Dat kan revolutionair worden

en een aardverschuiving zijn.

Niet alleen voor de geneesmiddelindustrie,

maar voor veel andere industrieën,

inclusief de cosmetische.

We zouden de huid
op een chip kunnen maken.

We maken die momenteel in ons lab

om te testen of de ingrediënten
in de producten

veilig zijn voor je huid,

zonder eerst dierproeven te doen.

We zouden de veiligheid kunnen testen

van chemische middelen
waaraan we dagelijks

worden blootgesteld in onze omgeving.

Zoals in schoonmaakmiddelen.

We kunnen de organen op een chip ook gebruiken

voor toepassing tegen bioterrorisme

of blootstelling aan straling.

We kunnen ze gebruiken
om meer te leren

over ziektes als ebola

of ander dodelijke ziektes zoals SARS.

Organen op een chip kunnen ook

de manier veranderen waarop we
klinische tests doen.

De gemiddelde deelnemer aan een klinische test

is nu nog gemiddeld:

vaak van middelbare leeftijd en vrouwelijk.

Je zult weinig klinische tests vinden

voor kinderen.

Maar we geven ook kinderen medicatie.

terwijl de gegevens over veiligheid
bij dat geneesmiddel

is verkregen van volwassenen.

Kinderen zijn geen volwassenen.

Ze reageren soms anders.

Er zijn nog meer verschillen zoals

tussen bevolkingsgroepen

die risicogroep kunnen worden

omdat ze verschillend reageren op geneesmiddelen.

Stel je voor dat we cellen konden nemen
van verschillende bevolkingsgroepen,

ze op een chip konden doen

en dan bevolkingsgroepen konden maken.

Dat zou de manier waarop we klinische tests

doen helemaal veranderen.

Dit is het team met de mensen die dat doen.

Met technici, celbiologen,

klinische artsen, allemaal werken ze samen.

We zien iets heel bijzonders

op het Wyss-instituut.

De disciplines vloeien er samen.

Biologie beïnvloedt het ontwerpen,

de manier van onderzoeken, van bouwen.

Het is heel spannend.

We hebben belangrijke industriële
samenwerkingen tot stand gebracht.

Zoals met een bedrijf

dat knowhow heeft van grootschalige
digitale techniek.

Ze helpen ons bij het maken

van niet één, maar miljoenen chips,

zodat we ze bij zoveel mogelijk
onderzoekers krijgen.

Dat is de sleutel tot de mogelijkheden
van deze technologie.

Ik zal je onze instrumenten laten zien.

Dit instrument zijn onze onderzoekers

nu in ons lab aan het uitproberen.

Met dit instrument kunnen we bijvoorbeeld

10 of meer organen koppelen.

Het doet nog iets wat heel interessant is.

Het maakt een heel eenvoudig controlepaneel.

Celbiologen zoals ik kunnen binnenkomen,

een chip pakken, in een houder stoppen,

zoals het prototype hier.

Dan stoppen ze de houder in de machine,

net zoals je met een cd doet,

en daar gaat ie.

Plug en play. Simpel.

Stel je nu even voor

hoe de toekomst eruit kan zien

als je stamcellen kon pakken

en ze op een chip kon plaatsen,

of jouw eigen stamcellen.

Dat zou een persoonlijke chip zijn van jezelf.

Iedereen hier is een individu,

en die individuele verschillen betekenen

dat we verschillend kunnen reageren
op geneesmiddelen.

Soms op onvoorspelbare manieren.

Ikzelf had jaren geleden zware hoofdpijn,

die bleef aanhouden en dacht: ik probeer iets anders.

Ik nam Advil. Een kwartier later,

was ik op weg naar de Eerste Hulp

met een complete astma-aanval.

Zoals je ziet was hij niet fataal,

maar helaas kunnen sommige reacties

op geneesmiddelen wel fataal zijn.

Hoe kan je dat voorkomen?

Misschien wel met een

Geraldine op een chip,

een Danielle op een chip,

jij op een chip.

Privégeneesmiddel. Dank je wel.

(Applaus)