芯片上的你：杰拉尔丁.汉密尔顿，TEDx波士顿

新药品的开发面临的一个问题就是实验室无法复制人体环境，因此无法确切检测病人对药物会做出何种反应。在TEDx波士顿，杰拉尔丁.汉密尔顿展示了科学家们如何将人类的细胞植入拥有类似人体环境的芯片上。这些“芯片上的器官”可以用于研究药物的毒性，发现潜在的新的治疗方法，以及创造更安全的临床试验。

今天我们正面临着一个全球性的健康难题，

这就是：我们现在研发

新药品的代价过于高昂，

耗时过长，

并且失败多于成功。

总而言之，这种方法不奏效，

这意味着迫切需要得到治疗的病人

无法得到治疗，疾病持续肆虐。

我们的花费似乎越来越多，

在研发上每投入十亿美元，

能够推入市场的药品却越来越少。

更多的钱，却换来更少的药品。这到底是怎么了？

其实，这其中有很多的因素，

但我认为关键因素之一

是我们现有的

用来检测一种药物是否起作用，

是否有疗效，或者是否安全的工具和方法不管用了，

这些检测是在我们把新药品用于人类的临床试验之前。

它们不能预测一种药物应用到人类身上会发生什么，

我们现有可用的主要有两种方法：

细胞培养实验和动物实验。

现在，让我们探讨一下第一个方法：细胞培养实验。

细胞在我们的体内快乐的工作着，

我们将它们从其原生环境里取出来，

将它们放进培养皿中，并且期望它们能继续工作。

猜猜发生了什么？它们没有工作。

它们不喜欢那个环境，

因为那个环境和它们在人体内的环境完全不同。

动物实验怎么样呢？

动物们确实能够提供非常有用的信息。

它们帮助我们认识到在复杂的有机体内发生了什么，

我们对生物学本身有了更多的认识。

然而，通常的情况是，

动物模型也不能预测
某种药物在人类身上会发生什么。

动物模型也不能预测
某种药物在人类身上会发生什么。

所以我们需要更好的工具。

我们需要人类的细胞，但是需要找到一个方式，

让它们在人体外也能够快乐的生活。

现在，在介绍我们的做法之前，

请大家一起做一个小锻炼。

现在，大家都闭上眼睛，

坐在后排的观众们，我能看见你们，请都闭上眼睛，

大家一起来，我们一起做这个运动。

现在，深深吸一口气，再呼出来，

重复一次，吸气，呼气。

感觉你的心跳，

感觉到心脏向你的全身输送血液。

好的，现在在你的座位上稍微活动一下，

来吧，活动起来，大家都已经做了一阵子了。

好了，现在睁开眼睛。

刚才的锻炼，既是一项有趣的放松活动，

也说明了人的身体是动态的环境。

我们处在不断运动当中，我们的细胞也经历着这些。

细胞们生活在人体的动态的环境中。

它们处在持续的机械力的作用下。

因此，如果我们想让细胞在体外也能快乐的生活，

我们需要变成细胞建筑师。

我们需要设计，建造

一个细胞生存环境之外的家园。

在Wyss研究院，我们已经做到了这些。

我们称其为“芯片上的器官”，此刻我手里就有一个。

它很漂亮，是不是？

但更为惊人的是，在我手中的这个

是一个会呼吸的，鲜活的，在芯片上的肺。

而且，它不仅仅漂亮，

它还能够完成海量的工作。

这个小小的芯片上承载着鲜活的细胞，

这些细胞构成了动态的环境，

与不同类型的细胞协同工作。

其实，有很多人尝试在实验室中培养细胞，

他们已经尝试了很多方法。

他们甚至试着在实验室里培养迷你器官。

我们没有试图那样做，

我们仅仅想在这个小小的芯片上，重建一个

最小的、功能性单元，
这个单元代表着生物化学，

代表着细胞在身体里所体验的功能和机械力。

代表着细胞在身体里所体验的功能和机械力。

那么，它是怎样工作的呢？

我将为大家展示一下。

我们用计算机芯片制造业的技术手段，

根据细胞和它们的环境，
来建造这些特定比例的结构。

根据细胞和它们的环境，
来建造这些特定比例的结构。

这里有三条流体通道。

在中间，有一个多孔的弹性膜，

在这张膜上，我们可以放置人类细胞，比如，我们的肺，

在膜的下层，是毛细血管细胞——

即在我们血管中的细胞。

然后我们可以对这个芯片施加机械力，

以此拉伸或收缩弹性膜，

这样细胞就会感受到相同的机械力

与我们呼吸时它们感受到的一样，

这一过程和它们在我们体内所经历的一样。

在顶层的渠道中，有空气流通，

我们将营养液

放置在血管通道中。

这个芯片真的是非常漂亮。

但是，我们能做些什么呢？

当我问到这个问题的时候，通常会引发很多的想法。

一些TEDx 的演讲者认为

我们可以用它们做珠宝。

（笑声）

我觉得，一串“芯片上的肺”的项链固然会非常美丽，

然而，它能做的比这多得多。

这些小芯片有着难以置信的功能。

现在我将给大家展示一下：我们可以，比如，

通过向肺部添加细菌来制造某种感染，

这样我们就可以加入人体白细胞。

白细胞是人体抵抗细菌侵略者的一道防线，

当它们感觉到由于感染引起的炎症时，

它们会从血液进入肺

并吞噬细菌。

现在，大家将亲眼见证，

在这个人类的“芯片上的肺”上，将发生什么。

我们将白细胞进行标记，大家将能够看到它们的流向，

当它们发现感染时，它们就开始移动。

它们一边移动，一边尝试

从血液通道进入肺侧。

现在大家可以看到，我们可以想象

一个单一的白细胞。

它扭动着进入细胞层之间，

通过毛孔，从膜的另一侧出来，

并且将要标有绿色标记的细菌吞没。

在那个小小的芯片上，你刚刚见证了

我们的身体在面对感染时所发生的最基本的反应之一。

这就是我们反应的方式，一种免疫系统的反应。

这非常让人兴奋。

现在，大家来看一副图片。

我想和大家一起分享，因为这是非常美丽的一副照片。

简直就是一副艺术品。

作为一个细胞生物学家，我可以一整天看着这些图片。

但是我想和大家分享的，

不仅仅是因为它很美丽，

而是因为它给我们提供了海量的信息，

这些信息是关于细胞在芯片上所做的事情。

它告诉我们，这些来自于肺的小通道里的细胞

实际上有着像头发一样的结构，

就跟我们在肺里能够看到的一样。

这些结构被称为绒毛，而且实际上它们

将粘液运送出肺。粘液，有点恶心！

但事实上粘液非常重要。

粘液将颗粒，病毒，潜在过敏原包裹起来，

随着这些小绒毛的移动，将粘液清理出去。

当绒毛受到伤害，比如说吸烟，

它们就不能正常的工作，也不能将粘液清理出去，

这就会引起诸如支气管炎之类的疾病。

一些严重的疾病也和绒毛和粘液的清理有关，

比如囊性纤维化。

但是现在，根据我们从这些小芯片上得到的功能，

我们可以开始寻找新的潜在的治疗方式。

在有了“芯片上的肺”以后，我们没有就此停步，

我们现在有了“芯片上的肠道”，

这里就是一个。

我们已经把人类的肠道细胞放在“芯片上的肠道”上，

现在它们处在持续的蠕动状态下，

流经细胞，

我们可以模仿许多

能在人类的肠道中实际看到的功能。

现在我们可以开始创造疾病模型，

比如肠易激综合征。

这种疾病影响了非常多的患者，

它使人变得非常虚弱，

而且没有好的治疗方法。

现在，在我们的实验室里有一系列的器官芯片。

现在，在我们的实验室里有一系列的器官芯片。

而这种技术的真正的力量

来源于我们可以将它们连接起来。

细胞之间可以顺畅的流动，

因此我们可以将不同类的芯片进行互联，

从而组成一个虚拟的“芯片上的人类”。

现在我们非常兴奋了。

我们并不准备真的在这些芯片上重建一个人，

我们的目标是能够重建足够的功能

使我们能够更好的预测

人类身上将发生什么。

比如，现在我们能够开始探索，

当我们把一种药物，比如气雾剂药物
用到人类身上时会发生什么。

和我一样患有哮喘的病人，
当你使用你的吸入器时，

我们就能够观察药物是怎样进入你的肺部，

怎样进入你的身体，以及可能对你的心脏产生的影响，

它改变你心跳的节奏了吗？

它有毒性吗？

它是否能够通过肝脏清除？

它是在肝脏里进行代谢吗？

它是通过肾脏排出体外的吗？

我们可以开始研究身体应对药物的动态反应。

我们可以开始研究身体应对药物的动态反应。

这可能带来革命性的变化，并改变游戏规则，

不仅仅是制药行业，

而是多领域多行业，

包括化妆品行业。

在座的有多少人使用了唇膏？

或者在早上沐浴时使用了香皂？

我们可以用一个芯片上的皮肤

也就是我们正在实验室中培育的

来检测大家正在使用的产品中所含的成分，

用在皮肤上是否安全，

而不需要在动物上实验。

我们可以检测我们每天
接触的化学物质是否安全，

我们可以检测我们每天
接触的化学物质是否安全，

比如常规家庭清洁剂中的化学物质。

我们也可以将芯片上的器官

应用在生物恐怖主义领域或是辐射照射。

我们可以使用它们增进对一些疾病的认识，

比如埃博拉病毒（Ebola）或是其他致命的疾病，
比如SARS。

为什么这些是有用的呢？

因为在临床试验中，你不可能对一个志愿者说：

“让我用一堆辐射给你进行治疗，

然后我看看我的药能否真正的修复这种伤害。”

这是不可能发生的。

但是我们的芯片上的器官就提供了一种新的可能性。

临床试验怎么样呢？

芯片上的器官也会改变

我们未来做临床试验的方式。

现阶段，临床试验的参与者一般是：

平均水平而言，多是中年人，多为女性。

你很少会发现有儿童参加的临床试验。

但是，我们每天都在给孩子药物，

而这些药物的安全性数据

却是从成年人身上获得的。

儿童不同于成人，

他们对药物的反应可能不同于成年人。

另外还有其他的因素，比如群体的遗传差异，

有可能引起部分人群

对药物副作用产生反应。

现在想像一下，如果我们可以提取这些不同人群的细胞，

并将它们放在芯片上，创造一种“芯片上的人群”。

这真的有可能改变我们现有的临床试验的方式。

前面我已经向大家介绍了

一些惊人的工作和技术。

这就是正在进行这项工作的团队成员。

我们有工程师，细胞生物学家，临床医生

共同工作。

我们正在 Weyss研究院见证一些难以置信的事情，

这是一个多学科的汇集，

生物学和工程学真正的融合在了一起。

在这里，生物学影响着我们设计、

策划、以及构造的方式。

这真的非常令人兴奋，并且这一切就发生在波士顿。

这真的很酷因为在波士顿我们能够很容易地将

众多学术机构，医院和产业联系起来。

而我们正在这样做。

我们正在建立重要的产业联盟，

比如我们已经和一家公司建立的联盟，

这家公司擅长大规模的数码制造。

他们将帮助我们建立

数以百万计的芯片，

这样我们就能使更多的研究者获得芯片。

而这对这项技术的潜能发挥是至关重要的。

现在，我向大家展示一下我们的仪器。

这台仪器是我们的工程师

在实验室里使用的原型，

这个仪器能够给我们提供一种工程控制力，

这种控制力能够帮我们

将10个或者更多的器官芯片联系起来。

但是，它能够做一些别的非常重要的事情：

它创造了一种简单的用户界面，因此，
像我这样的一个细胞生物学家就能够进入，

取得一个芯片，把它放进一个盒子里，
就像你看到的这个原型一样，

把这个盒子放进机器里，就像你放一张CD一样，
然后就可以离开了。

插上，播放。很简单。

现在，让我们想象一下未来可能是什么样，

如果我能够取出你的干细胞，并将它们放在芯片上，

或者你的干细胞放在芯片上。

这将是一个专属于你的个性化的芯片。

此刻，在座的都是个体。

并且这些个体差异

意味着我们将有不同的反应，

并且有的时候会以不可预知的方式产生药物反应。

我自己，在多年以前，患有非常严重的头痛。

我就是无法摆脱，

我当时想“我要尝试一下不同的东西”。于是我使用了Advil。

15分钟以后，我已经在去往急诊的路上了，

而且哮喘已经极其严重。

很明显，当时没有致命，但不幸的是，

一些不良的药物的作用可能是致命的。

所以，我们该怎样阻止它们呢？

现在我们可以想象有一天，
我们能够拥有一个芯片上的Geraldine，

一个芯片上的Danielle，或者一个芯片上的你，

个性化的医疗。

谢谢。

（掌声）