Körperteile auf Chips

Neue Medikamente und bessere Therapien zu entwickeln, ist relativ leicht. Schwieriger wird es bei den Tests. Sie können vielversprechende neue Therapien um Jahre verzögern. Geraldine Hamiltons anschaulicher Vortrag erläutert die Organ- und Körperteil-Chips, die in ihrem Labor entstehen. Diese einfachen Elemente enthalten alles, was für die Prüfung neuer Medikamente wesentlich ist. Sie können sogar maßgeschneiderte Arzneien für eine bestimmte Person testen. (Aufnahme: TEDxBoston)

Wir stehen heute in der Medizin
vor einer globalen Herausforderung:

Die Forschung und Entwicklung
neuer Medikamente

ist zu kostspielig, zu zeitaufwendig

und führt häufig zu nichts.

Das System funktioniert einfach nicht.

In der Folge bleiben Patienten dringend
notwendige neue Therapien versagt.

Ihre Krankheiten
können nicht behandelt werden.

Trotzdem geben wir anscheinend
immer mehr Geld aus.

Pro Milliarde, die wir in Forschung
und Entwicklung stecken,

werden heute weniger
neue Medikamente zugelassen.

Also mehr Geld
für weniger Medikamente. Hm!

Was ist da los?

Hier spielen viele Faktoren eine Rolle.

Einer der wichtigsten, denke ich,
sind unsere derzeitigen Testinstrumente.

Tests sollen zeigen,
ob ein Arzneimittel funktioniert.

Sie prüfen, ob es wirksam und sicher ist,

bevor die klinische Prüfung
am Menschen beginnt.

Diese Tests versagen.

Sie sagen nicht vorher,
was im Menschen geschehen wird.

Für die Tests stehen uns im Wesentlichen
zwei Instrumente zur Verfügung:

Zellen in der Petrischale
und Tierversuche.

Beschäftigen wir uns zuerst
mit den Zellen in der Petrischale.

Solange die Zellen im Körper sind,
funktionieren sie bestens.

Reißen wir sie aber
aus dieser Umgebung heraus,

geben sie in eine Petrischale
und erwarten, dass sie funktionieren --

was dann? Es klappt nicht.

Sie mögen die neue Umgebung nicht.

Denn sie ist völlig anders
als der menschliche Körper.

Und wie steht es mit den Tierversuchen?

Tiere liefern uns äußerst
nützliche Informationen.

Sie vermitteln uns, was in einem
komplexen Organismus geschieht.

Wir erhalten einen besseren Einblick
in biologische Vorgänge.

Allerdings sagt das Tiermodell
oftmals nicht vorher,

was in einem Menschen abläuft, wenn
er ein bestimmtes Arzneimittel einnimmt.

Darum brauchen wir
bessere Testinstrumente.

Wir brauchen menschliche Zellen.

Und wir brauchen Möglichkeiten,

sie außerhalb des Körpers
gedeihen zu lassen.

Unser Körper ist eine dynamische Umgebung.

Wir sind immer in Bewegung.

Und daran haben unsere Zellen teil.

Der Körper bildet
ein dynamisches Umfeld.

Auf die Zellen wirken ständig
mechanische Kräfte ein.

Wenn Zellen außerhalb
des Körpers gedeihen sollen,

müssen wir zu Zellarchitekten werden.

Wir müssen für die Zellen
eine "Wohlfühlumgebung" entwickeln

und ihnen einen angenehmen
"Zweitwohnsitz" bauen.

Genau das haben wir
am Wyss Institute gemacht.

Das Ergebnis nennen wir "Organchip".

Hier habe ich einen.

Toll, oder? Und ziemlich unglaublich.

In meiner Hand halte ich eine lebendige,
atmende menschliche Lunge auf einem Chip.

Das ist nicht nur schön, sondern
es birgt auch enorme Möglichkeiten.

In diesem kleinen Chip
haben wir lebende Zellen.

Sie interagieren in einer dynamischen
Umgebung mit verschiedenen Zelltypen.

Viele Forscher haben versucht,
im Labor Zellen zu züchten.

Sie verfolgten unterschiedlichste Ansätze
und züchteten sogar kleine Mini-Organe.

Uns geht es um etwas anderes.

Wir wollen auf dem Chip

ein kleinstmögliches
Funktionselement bauen,

mit der biochemischen Umgebung,

den Funktionen
und mechanischen Beanspruchungen,

die den Zellen
vom Körper her vertraut sind.

Wie das möglich ist,
zeige ich Ihnen jetzt.

Wir nutzen Techniken aus der
Computerchip-Fertigung

und stellen Chips in einer Größe her,

die für Zellen und
ihre Umgebung sinnvoll ist.

Es gibt drei Strömungskanäle.

In der Mitte befindet sich
eine flexible poröse Membran,

auf die wir menschliche Zellen
aufbringen können, z. B. aus der Lunge.

Darunter befinden sich Kapillarzellen,
also Zellen aus unseren Blutgefäßen.

Dann lassen wir auf den Chip
mechanische Kräfte einwirken.

Sie dehnen die Membran
und ziehen sie zusammen.

Dadurch unterliegen die Zellen

denselben mechanischen Kräften
wie beim Atmen.

Sie erleben diese Kräfte
genauso wie im Körper.

Durch den oberen Kanal fließt Luft

und durch den Blutkanal leiten wir
eine Flüssigkeit mit Nährstoffen.

Der Chip ist wunderbar.
Aber wozu ist er eigentlich gut?

Diese kleinen Chips leisten
wirklich Unglaubliches.

Sehen Sie sich das einmal an.

Wir ahmen z. B. eine Infektion nach

und bringen in die Lunge Bakterienzellen
und menschliche weiße Blutkörperchen ein.

Weiße Blutkörperchen sind die Körperabwehr
gegen eindringende Bakterien.

Wenn sie eine infektionsbedingte
Entzündung erkennen,

treten sie vom Blut in die Lunge über
und umschließen die Bakterien.

Sie erleben dieses Geschehen
gleich live mit --

in einer menschlichen Lunge
auf einem Chip.

Damit Sie die weißen Blutkörperchen
sehen können, haben wir sie markiert.

Wenn die Blutkörperchen die Infektion
erkennen, heften sie sich an.

Sie versuchen, vom Blutkanal aus
auf die Seite der Lunge zu gelangen.

Wir können ein einzelnes
weißes Blutkörperchen sichtbar machen.

Es heftet sich an, es windet sich
durch Zellschichten und die Pore hindurch.

Dann kommt es
auf der anderen Membranseite heraus.

Da frisst es die grün markierte Bakterie.

Durch diesen winzigen Chip
wurden Sie gerade zu Augenzeugen

einer der grundlegendsten
Reaktionen des Körpers auf eine Infektion.

Das ist unsere Immunreaktion.

Sehr spannend!

Ich möchte Ihnen jetzt dieses Bild zeigen.

Nicht nur, weil es schön ist.

Es sagt auch sehr viel darüber aus,

was die Zellen
in den Chips eigentlich tun.

Wir sehen hier Zellen aus den feineren
Verzweigungen der Lungen.

Sie besitzen haarförmige Strukturen,
wie sie in der Lunge zu erwarten sind.

Das sind die Flimmerhärchen,
die Schleim aus der Lunge hinausbefördern.

Genau. Schleim - igitt!

Aber Schleim ist sehr wichtig.

Schleim fängt kleine Teilchen, Viren
und potenzielle Allergene ein

und die kleinen Flimmerhärchen
transportieren den Schleim ab.

Werden sie z. B. durch Zigarettenrauch
geschädigt, funktionieren sie nicht gut.

Dann kann der Schleim
den Körper nicht verlassen.

Erkrankungen wie Bronchitis
können die Folge sein.

Die Flimmerhärchen
und der Abtransport von Schleim

spielen auch bei schweren Krankheiten
wie Mukoviszidose eine Rolle.

Doch jetzt -- dank der Funktionen,
die in diesen Chips stecken --

können wir mögliche neue
Behandlungen erforschen.

Der Lungenchip hat uns aber nicht genügt.

Es gibt auch einen Darmchip.

Hier sehen Sie einen.

In den Darmchip haben wir
menschliche Darmzellen gesteckt.

Wie im Darm unterliegen sie
einer ständigen Bewegung,

die langsam durch die Zellen fließt.

Wir können viele Funktionen
des menschlichen Darms nachahmen.

Jetzt können wir Modelle
von Krankheiten entwickeln,

z. B. ein Modell des Reizdarmsyndroms.

Von dieser Krankheit sind
sehr viele Menschen betroffen.

Sie vermindert
die Lebensqualität erheblich.

Doch es gibt kaum gute Therapien.

Aktuell arbeiten wir in unseren Laboren
an vielen unterschiedlichen Organchips.

Die eigentliche Stärke
dieser Technologie liegt darin,

dass wir die Chips
miteinander verbinden können.

Durch die Zellen fließt eine Flüssigkeit
und verbindet unterschiedliche Chips

zu einem sogenannten
virtuellen Menschen auf einem Chip.

Jetzt wird es richtig spannend!

Wir werden auf den Chips nie
einen ganzen Menschen nachbauen.

Wir haben nur das Ziel,

genügend Funktionen
des Organismus nachzubilden,

um besser vorhersagen zu können,
was im Menschen abläuft.

Damit können wir z. B. die Wirkung
von Sprühmedikamenten erforschen.

Das betrifft Menschen wie mich,
die ein Asthmaspray inhalieren.

Wir können erforschen,
wie es in die Lunge gelangt,

wie es in den Körper übertritt

und wie es sich
z. B. auf das Herz auswirkt.

Verändert es den Herzschlag?
Ist es toxisch?

Wird es von der Leber abgebaut?

Wird es in der Leber verstoffwechselt?
Wird es über die Nieren ausgeschieden?

Wir können die dynamischen Reaktionen
des Körpers auf Medikamente erforschen.

Dies könnte wirklich
eine Revolution auslösen.

Es würde nicht nur
die Pharmaindustrie verändern.

Auch viele weitere Branchen würden
profitieren, z. B. die Kosmetikbranche.

Wir entwickeln im Labor
gerade einen Hautchip,

mit dem wir prüfen können,

ob Sie die Inhaltsstoffe Ihrer Produkten

gefahrlos auf Ihre Haut auftragen können.

Ganz ohne Tierversuche.

Wir könnten testen,
wie sicher die Chemikalien sind,

denen wir in der Umwelt
täglich ausgesetzt sind,

z. B. Chemikalien handelsüblicher
Haushaltsreiniger.

Weitere Einsatzgebiete
der Organchips wären etwa

Bioterrorismus oder Strahlenbelastung.

Wir könnten damit ein besseres
Verständnis tödlicher Krankheiten

wie Ebola und SARS gewinnen.

Organchips könnten die Durchführung
klinischer Studien verändern.

Momentan sind die durchschnittlichen
Teilnehmer klinischer Studien genau das:

durchschnittlich.

Vorwiegend mittleren Alters
und vorwiegend weiblich.

Sie finden nur wenige
klinische Studien an Kindern.

Trotzdem geben wir Kindern
täglich Medikamente,

obwohl die einzigen Daten
zur Sicherheit der Arznei

von Erwachsenen stammen.

Kinder sind nicht erwachsen.

Sie können anders reagieren
als Erwachsene.

Weitere Risikofaktoren sind genetische
Unterschiede in der Bevölkerung.

Darum können manche Bevölkerungsgruppen

stärker von schädlichen
Nebenwirkungen betroffen sein.

Stellen Sie sich vor, mit den Zellen
der verschiedenen Bevölkerungsgruppen

würden wir Chips nach
Bevölkerungsgruppe herstellen.

Das könnte die Durchführung
klinischer Studien dramatisch verändern.

Hier sehen Sie das Mitarbeiterteam.

Unsere Ingenieure, Zellbiologen und
Klinikärzte arbeiten zusammen.

Hier am Wyss Institute
sehen wir etwas Wunderbares --

das Zusammenwirken
verschiedener Disziplinen.

Die Biologie beeinflusst
das Design und die Entwicklung.

Das ist sehr spannend.

Wir bauen Kooperationen
mit der Branche auf,

z. B. mit einem Unternehmen, das Know-how
in digitaler Massenfertigung beisteuert.

Diese Firma wird uns helfen,

statt eines solchen Chips
Millionen herzustellen,

damit wir sie möglichst vielen Forschern
an die Hand geben können.

Nur so können wir das Potenzial
dieser Technik voll ausschöpfen.

Jetzt möchte ich Ihnen
unser Testinstrument zeigen.

Zurzeit bauen die Ingenieure

einen Prototyp
dieses Instruments im Labor.

Das Gerät bietet uns
Steuerungsmöglichkeiten.

Die brauchen wir, um 10 oder mehr
Organchips miteinander zu verbinden.

Außerdem leistet es
noch etwas sehr Wichtiges:

Es ist einfach zu bedienen.

Zellbiologen wie ich

nehmen einfach einen Chip
und geben ihn in eine Kartusche,

wie bei dem Prototyp im Bild dort.

Ich schiebe die Kartusche ein,
wie eine CD, und schon geht's los.

Plug-and-play. Ganz einfach.

Malen wir uns damit einmal
die Zukunft aus.

Könnte ich Ihre Stammzellen nehmen
und auf einen Chip bannen,

oder auch Ihre Stammzellen,

dann wäre das ein Chip für Sie
ganz persönlich.

Wir alle in diesem Raum sind Individuen.

Und wegen unserer Individualität

können wir völlig unterschiedlich und
unvorhersehbar auf Medikamente reagieren.

Ich selbst hatte vor einigen Jahren
unerträgliche Kopfschmerzen.

Also probierte ich etwas Neues aus
und nahm Advil [Ibuprofen].

15 Min. später war ich mit einem schweren
Asthmaanfall unterwegs zur Notaufnahme.

Offensichtlich war es nicht tödlich.

Doch manche Nebenwirkungen
von Medikamenten

können tatsächlich zum Tod führen.

Wie können wir das vermeiden?

Vielleicht gibt es eines Tages
einen Geraldine-Chip,

einen Danielle-Chip
und einen Chip für Sie.

Individualisierte Medizin. Vielen Dank.

(Applaus)