Частини тіла на чипі

Відносно легко уявити нову медицину чи краще лікування деяких захворювань. Але важко виявляти їх, і це може відкласти багатонадійне нове лікування на довгі роки. У цій гарно викладеній доповіді Джеральдін Гамільтон показує, як її лабораторія створює органи та частини тіла на чипі - прості структури з усіма частками, необхідними для перевірки нових лікувальних засобів – навіть звичайних ліків для однієї конкретної людини. (Знято на TEDxБостон)

Cьогодні проблема світового здоров'я

в наших руках,

і вона полягає в тому, що той спосіб,
у який ми на даний момент

відкриваємо та розвиваємо нові ліки,

занадто дорогий та займає багато часу.

Найчастіше він підводить нас,
а не дає успішних результатів.

Він зовсім не дієвий, а це означає,

що пацієнти, яким дуже потрібне
нове лікування,

не отримують його,

і хвороби не лікуються.

Здається, ми витрачаємо
дедалі більше грошей.

Отже, з кожним мільярдом,
витраченим на наукові дослідження,

ми отримуємо менше ліків,
які допускаються на ринок.

Більше грошей, менше ліків. Гмм.

То що ж відбувається?

Ну, тут роль грає величезна
кількість факторів,

але я думаю, що один
із ключових факторів ‒

це інструментарій,
який ми маємо на даний час

у доступі, щоб перевірити ефективність

лікарського засобу,

або чи безпечний він

перед проведенням клінічних перевірок,

і цей інструментарій нас підводить.
Не можна передбачити,

що станеться з людьми.

Але у нашому розпорядженні є

два головних знаряддя:

клітини в посудинах та
експерименти з тваринами.

Поговоримо про перший з них,
про посудини з клітинами.

Отже, клітини радісно
функціонують у наших тілах.

Ми беремо і вириваємо їх

з рідного середовища,
викидаємо їх на посудини

і сподіваємось, що вони працюватимуть.

Вгадайте-но, що.
Вони не працюють.

Їм не подобається це середовище,

тому що не існує для них
нічого кращого за те,

що вони мають усередині тіла.

Що ж до експериментів над тваринами?

Ну, тварини дійсно можуть надати

вкрай важливу інформацію.

Вони показують нам, що відбувається

у складному організмі.

Ми більше вивчаємо біологію як таку.

Однак частіше за все

випадки з тваринами не допомагають
передбачити того, що може статися з людьми,

якщо їх лікують конкретним препаратом.

Отже, нам потрібні кращі знаряддя.

Нам потрібні клітини
людського організму,

але необхідно знайти спосіб
зберігати їх у гарному настрої

поза межами тіла.

Наші тіла ‒ динамічні середовища.

Ми постійно рухаємося.

І наші клітини через це проходять.

Вони знаходяться в рухливих
середовищах у нашому організмі.

На них постійно діють механічні сили.

Отож, якщо ми хочемо,
щоб клітини були щасливі

поза нашим організмом,

нам потрібно стати
клітинними архітекторами.

Ми повинні проектувати,
будувати і споруджувати

дім для клітин.

І в науково-дослідницькому
інституті Wyss

ми якраз так і зробили.

Ми називаємо цю річ "органом у чипі".

І в мене є один з собою.

Гарний, правда ж?
Але він досить неймовірний.

Прямо в мене в руці дихає жива

людська легеня в чипі.

І вона не просто гарна.

Вона може робити приголомшливі речі.

У цьому маленькому чипі живуть клітини,

клітини, які знаходяться
в динамічному середовищі,

яке взаємодіє з різними типами клітин.

Багато хто

намагався виростити
клітини в лабораторії.

Люди випробовували різні підходи.

Намагалися навіть виростити
маленькі міні-органи в лабораторії.

Ми не намагаємось робити цього тут.

Ми просто силкуємося відтворити

в цьому маленькому чипі

найменшу функціональну одиницю,

яка представляє біохімію,

функціональну та механічну напругу,

через яку проходять клітини нашого тіла.

Отож, як це все працює?
Зараз я вам покажу.

Ми запозичуємо прийоми, що їх використовують

під час виробництва комп'ютерних чипів,

щоб створити конструкції у масштабі

відносно клітин та їхнього середовища.

Маємо три рідинні канали.

У центрі – пориста гнучка мембрана,

куди можемо додати людські клітини,

наприклад, з наших легенів,

що знизу мають капілярні клітини –

клітини наших кровоносних судин.

Потім можемо додати
до чипу механічних сил,

які розтягують та стискають мембрану.

Таким чином клітини зазнають
такого ж механічного впливу,

як і під час дихання.

Вони почуваються так, як у тілі.

По верхньому каналу
спрямовується потік повітря,

а потім ми спрямовуємо рідину,
яка містить поживні речовини,

по кровоносному каналу.

Чип – дійсно гарний.

Що ми можемо з ним робити?

Ми отримуємо неймовірну функціональність

усередині даних маленьких чипів.

Зараз покажу вам.

Наприклад, ми змогли імітувати зараження.

Ми додаємо клітини бактерій до легень,

а потім додаємо людські
білі кров’яні тільця [лейкоцити].

Білі кров’яні тільця –
це захист нашого тіла

від бактеріальних загарбників.

Коли вони відчувають, що
запалення відбулося через зараження,

вони ввійдуть з крові в легені

та поглинуть бактерії.

Зараз побачите, як це відбувається

наживо у людській легені на чипі.

Ми намітили білі кров’яні тільця,
тому видно їхній потік.

Коли вони виявляють інфекцію,

починають липнути.

Вони липнуть, потім намагаються
проникнути в легені

збоку кровоносного каналу.

Бачите, ми можемо зробити видимим

біле кров'яне тільце.

Воно липне, просовується

між шарами клітин, крізь пору

та виходить з іншого боку мембрани.

Саме там воно поглине бактерію,

позначену зеленим кольором.

Тільки що ви були свідками того,
як у крихітному чипі

відбувається одна з основних реакцій

нашого тіла на зараження.

Так ми реагуємо.
Це реакція імунної системи.

Дуже захоплююча мить.

Я хочу поділитися з вами цим малюнком.

І не тільки тому, що він гарний.

А тому, що він надає нам
чимало інформації

про те, що клітини
роблять усередині чипів.

Ці клітини

з маленьких повітряних
шляхів у наших легенях

мають волосоподібну структуру,

яку можна побачити в легенях.

Ці структури називаються війками.

Вони видаляють слиз із легенів.

Так. Слиз. Фу!

Але слиз дуже важливий.

Слиз втягує часточки, віруси,

можливі алергени.

А ці маленькі війки рухаються

та очищують слиз.

Коли вони пошкоджені,

наприклад, димом цигарок,

вони не працюють належним чином
та не очищують слиз.

Це може призвести
до таких захворювань, як бронхіт.

Війки та очищення слизу

також спричиняють страшні хвороби,
наприклад, муковісцидоз.

Тепер за допомогою
функціональності даних чипів

ми починаємо пошук

нових можливих видів лікування.

Ми не зупинилися на дослідженні
легенів у чипі.

Маємо кишку в чипі.

Подивіться на неї.

Ми вставили людські кишкові клітини

у такий чип.

Вони знаходяться у постійному
перистальтичному русі,

цьому тонкому струмочку крізь клітини.

Можна зімітувати багато функцій,

які спостерігаються

у людському кишечнику.

Можна моделювати хвороби,

наприклад, слизистий коліт.

Це захворювання вражає

багатьох людей.

Воно дуже ослаблює організм.

Та не існує дійсно гарного лікування.

Зараз ми маємо цілу систему

різних чипів з органами,

робота над якими ведеться
в наших лабораторіях.

Однак справжня сила даної технології

випливає з того,

що ми з’єднуємо їх за допомогою рідини.

Крізь ці клітини тече рідина.

Тому ми можемо зв’язувати

різні численні чипи разом

і формувати так звану
віртуальну людину на чипі.

Ми справді перебуваємо
в піднесеному настрої.

Ми не відтворимо усю людину
в даних чипах.

Наша мета – мати змогу відтворити

належну функціональність,

щоб краще передбачити те,

що відбуватиметься у людському організмі.

Наприклад, ми починаємо досліджувати

процеси від введення наркотику
або розпилення аерозолю.

Хто з вас, як і я, хворий на астму,
використовує інгалятор.

Можемо дослідити процес
проникнення ліків у легені,

проникнення в організм,

вплив ліків, наприклад, на серце.

Чи змінюється внаслідок цього серцебиття?

Чи токсичні ліки?

Чи відбувається очищення у печінці?

Чи печінка засвоює ліки?

Чи нирки їх виділяють?

Ми починаємо вивчати активну

реакцію організму на ліки.

Це може призвести до прориву

та змінити

не тільки фармацевтичну галузь,

а цілу низку різних галузей,

серед яких косметична галузь.

Можна використати шкіру в чипі,

який зараз ми розвиваємо в лабораторії,

щоб перевірити склад цих продуктів

на безпечність для вашої шкіри,

не проводячи експерименти на тваринах.

Можна перевірити безпечність

хімічних препаратів,
які впливають на нас

щодня у довкіллі,

як-от препарати, що їх зазвичай
використовують у хатньому господарстві.

Також можна використовувати
органи на чипах

під час біотероризму

або радіоактивної загрози.

Можна використовувати їх,
щоб краще вивчити

захворювання на кшталт
лихоманки Ебола,

або інших смертельних хвороб, як САРС.

Органи на чипах
можуть також змінити

у майбутньому спосіб проведення
клінічних досліджень.

Нині середня кількість учасників

клінічного дослідження така: середня.

То схиляється у бік людей
середнього віку, то в бік жінок.

Ви знайдете багато
клінічних досліджень,

в яких задіяні діти.

Однак щодня ми даємо дітям ліки.

Єдині безпечні дані
щодо цих препаратів

ми отримали від тестів на дорослих.

Але діти – не дорослі.

Вони можуть не так реагувати,
як дорослі.

Є й інші особливості, наприклад,
генетичні відмінності

населення,

що призводять до популяцій
з підвищеним ризиком

щодо несприятливої реакції на ліки.

Уявіть собі, що ми взяли
клітини різних популяцій,

ввели їх у чипи

та створили популяції на чипах.

Це могло б повністю змінити

спосіб проведення
клінічних досліджень.

А це команда людей,
яка працює над цим.

У нас є інженери, клітинні біологи,

клінічні лікарі, які працюють разом.

Ми спостерігаємо щось
досить неймовірне

в Інституті Wyss.

Це зближення дисциплін,

серед яких біологія впливає
на способи проектування,

спорудження та будування.

Це дуже захоплююча справа.

Ми налагоджуємо важливу співпрацю
з виробничими підприємствами.

Наприклад, ми співпрацюємо з компанією,

яка займається експертизою у великих
масштабах цифрового виробництва.

Вони допоможуть нам зробити

замість одного

мільйони таких чипів,

які можна надати

якомога більшій кількості дослідників.

Це ключ до можливостей
даної технології.

Покажу вам наш інструмент.

Це прилад, експериментальну
модель якого

зараз створюють наші
інженери в лабораторії.

Цей прилад забезпечить нас

технічним управлінням,
яке дасть нам змогу

з’єднати разом 10 або
більше чипів з органами.

Він робить щось украй важливе.

Він створює легкий
інтерфейс для користувачів.

Тому клітинний біолог,
як я, може зайти,

взяти чип, вставити його в картридж,

як видно на моделі,

вставити картридж у машину,

наче компакт-диск,

і почати роботу.

"Вмикай та працюй". Це легко.

Уявімо собі,

яким могло б бути майбутнє,

якби я взяла ваші стовбурові клітини

та вставила б їх у чип,

або ваші стовбурові клітини
та вставила б їх у чип.

Це був би персоналізований
чип тільки для вас.

Усі ми – індивідууми.

Індивідуальні відмінності означають,

що ми реагуємо по-різному,

а іноді непередбачено, на ліки.

Кілька років тому в мене був
дуже сильний головний біль.

Не могла з ним впоратися, думала:
"Спробую щось інше".

Прийняла "Адвіл".
Та через 15 хвилин

я вже була в відділенні
екстреної медичної допомоги

з різким нападом астми.

Як бачите, це було не смертельно,

але, на жаль, деякі

побічні реакції на ліки
можуть призвести до смерті.

Як цьому запобігти?

Ми можемо уявити, що колись

матимемо організм Джеральдін на чипі

або організм Даніели на чипі,

або ваш організм на чипі.

Індивідуальна медицина.
Дякую.

(Оплески)