Organi umani su un chip

È relativamente facile immaginare una nuova medicina, una cura migliore per qualche malattia. Tuttavia la parte difficile è sperimentarla e questo può ritardare nuove promettenti cure per anni. In questa presentazione molto esplicativa Geraldine Hamilton ci mostra come il suo laboratorio crea organi e parti di corpo su di un chip, semplici strutture con tutte le caratteristiche essenziali per sperimentare nuovi medicinali, anche cure personalizzate per una specifica persona. (Filmato a TEDx Boston)

Oggi dobbiamo raccogliere una sfida
per la salute globale

nelle nostre mani:

il metodo con cui attualmente

scopriamo e sviluppiamo nuove medicine

è troppo costoso, estremamente lungo,

e fallisce più spesso di quanto abbia successo.

Non funziona proprio, e questo significa

che pazienti che hanno urgente bisogno
di nuove terapie

non le ottengono

che le malattie restano senza cura.

Sembra che spendiamo sempre più denaro.

Ma per ogni miliardo di dollari che spendiamo
in ricerca e sviluppo,

mettiamo sul mercato sempre meno medicinali approvati.

Più soldi, meno medicinali.
Hmm.

Quindi, che cosa sta succedendo?

Beh, c'è una moltitudine di fattori in gioco,

ma io credo che uno dei fattori chiave

sia che gli strumenti che abbiamo

a disposizione per verificare se un medicinale funzionerà,

se è efficace,

oppure se sarà sicuro

prima di sperimentarlo sull'uomo,

ci stiano ingannando. Non ci predicono

che cosa succederà sugli esseri umani.

Abbiamo due strumenti principali

a nostra disposizione.

Sono la coltura in vitro e i test sugli animali.

Parliamo ora del primo, la coltura in vitro.

Allora, le cellule funzionano felicemente nei nostri corpi.

Noi le prendiamo e le strappiamo

dal loro ambiente naturale,
le buttiamo in uno di questi piatti,

e ci aspettiamo che lavorino.

Indovinate. Non lo fanno.

Non gli piace quell'ambiente

perché non ha niente a che vedere

con quello che hanno all'interno del corpo.

Che cosa dire dei test sugli animali?

Gli animali forniscono e possono fornire

informazioni estremamente utili.

Ci insegnano che cosa accade

in un organismo complesso.

Impariamo di più a proposito della biologia stessa.

Nondimeno, molto spesso,

i modelli animali non riescono a predire
che cosa succederà negli esseri umani

quando vengono curati con un particolare farmaco.

Quindi abbiamo bisogno di strumenti migliori.

Ci servono cellule umane,

ma dobbiamo trovare il modo di mantenerle felici

al di fuori del corpo.

I nostri corpi sono ambienti dinamici.

Noi siamo in continuo movimento.

E le nostre cellule lo sperimentano.

Si trovano in ambienti dinamici
all'interno del nostro corpo.

Sono sottoposte a forze meccaniche costanti.

Se vogliamo rendere le cellule felici

fuori dai nostri corpi,

dobbiamo diventare architetti per le cellule.

Dobbiamo progettare, costruire ed organizzare

una casa per le cellule lontano da casa.

E al Wyss Institute,

abbiamo fatto proprio questo.

Lo chiamiamo un "organo in un chip".

E ne ho uno proprio qui.

Bello, vero?
Ma è proprio incredibile.

Proprio qui nella mia mano c'è

un polmone umano che vive e respira su un chip.

E non è solo bello.

Può fare un'enormità di cose.

Abbiamo cellule viventi in quel piccolo chip,

cellule che sono in un ambiente dinamico

e che interagiscono con altri tipi di cellule.

Molte persone

hanno tentato di far crescere
cellule in laboratorio.

Hanno provato con diversi approcci.

Hanno addirittura tentato di far crescere
in laboratorio piccoli mini-organi.

Noi non stiamo cercando di fare questo.

Stiamo semplicemente provando a ricreare

in questo sottile chip

la più piccola unità funzionale

che rappresenta la biochimica,

la funzione e lo sforzo meccanico

che le cellule sperimentano nel nostro corpo.

Ma come funziona? Adesso ve lo mostro.

Usiamo tecniche proprie della produzione

dell'industria dei chip per computer

per realizzare queste strutture in una scala

che sia rilevante sia per le cellule
che per il loro ambiente.

Abbiamo tre canali per i fluidi.

Al centro, abbiamo una membrana porosa e flessibile

sulla quale possiamo aggiungere cellule umane

provenienti, ad esempio, dai nostri polmoni,

e poi sotto, ci sono cellule capillari,

le cellule dei nostri vasi sanguigni.

Possiamo poi applicare forze meccaniche al chip

che stirano e comprimono la membrana,

in modo che le cellule sperimentino le stesse forze meccaniche

di quando respiriamo.

E lo fanno come all'interno del corpo.

C'è dell'aria che scorre attraverso il canale superiore,

poi facciamo scorrere del liquido che contiene nutrienti

attraverso il canale sanguigno.

Ora, il chip è davvero bello,

ma che cosa possiamo farci?

Possiamo ottenere una funzionalità incredibile

dentro questi piccoli chip.

Lasciate che ve lo mostri.

Possiamo, ad esempio, imitare le infezioni,

quando aggiungiamo batteri nei polmoni,

poi possiamo aggiungere globuli bianchi umani.

I globuli bianchi sono la difesa del nostro corpo

contro gli invasori batterici,

e quando loro si accorgono di questa infiammazione
causata dall'infezione,

entrano dal sangue nei polmoni

ed avvolgono i batteri.

Adesso vedrete succedere questo

dal vivo in un vero polmone umano su un chip.

Abbiamo marcato i globuli bianchi
in modo che possiate vederli scorrere,

e quando si accorgono dell'infezione,

iniziano ad attaccarsi.

Si attaccano e poi provano ad entrare nel polmone

staccandosi dal flusso sanguigno.

E come potete vedere, noi possiamo davvero visualizzare

un singolo globulo bianco.

Si attacca, trova la strada

tra le pareti cellulari, attraverso i pori,

esce dall'altra parte della membrana,

e proprio lì, sta per inglobare il batterio

segnato in verde.

In questo minuscolo chip avete appena assistito

ad una delle fondamentali risposte

che il nostro corpo ha ad un'infezione.

È il modo in cui noi rispondiamo,
una risposta immunitaria.

È piuttosto avvincente.

Adesso voglio condividere questa immagine con voi,

non solo perché è così bella,

ma perché ci fornisce un enorme
insieme di informazioni

su cosa stanno facendo le cellule all'interno del chip.

Ci dice che quelle cellule

provenienti dai piccoli alveoli nei nostri polmoni,

in realtà hanno questo aspetto simile a capelli

che vi aspettereste di vedere nel polmone.

Queste strutture sono chiamate ciglia

e mandano fuori il muco dal polmone.

Sì. Muco.
Che schifo.

Ma il muco è in realtà molto importante.

Il muco intrappola il particolato, i virus,

potenziali allergeni,

e queste piccole ciglia si muovono

e si disfano del muco.

Quando vengono danneggiate,

dal fumo di sigaretta per esempio,

non lavorano correttamente,
e non possono disfarsi del muco.

E questo può condurre a malattie come la bronchite.

Le ciglia e la pulizia dal muco

sono anche coinvolte in tremende malattie
come la fibrosi cistica.

Ma ora, con le funzionalità che abbiamo
in questi chip

possiamo iniziare una ricerca

di nuove cure potenziali.

Non ci siamo fermati con un polmone su un chip.

Abbiamo un intestino sopra un chip.

Potete vederne uno proprio qui.

Abbiamo messo cellule intestinali

dentro ad un intestino sopra un chip,

queste sono in un costante moto peristaltico,

un flusso gocciolante attraverso le cellule,

e possiamo imitare molte delle funzioni

che realmente ci si aspetterebbe di vedere

in un intestino umano.

Adesso possiamo iniziare a creare modelli di malattie

come la sindrome del colon irritabile.

È una malattia che colpisce

un gran numero di individui.

Ed è davvero debilitante,

e non ci sono davvero
molte cure efficaci per essa.

Adesso abbiamo un'intera catena

di differenti organi su chip

che al momento stanno lavorando nei nostri laboratori.

Ora, il vero potenziale di questa tecnologia, comunque,

proviene dal fatto

che possiamo collegarle attraverso i fluidi.

C'è del fluido che scorre attraverso queste cellule,

e quindi possiamo iniziare ad interconnettere

molti chip diversi

per formare quello che chiamiamo
un essere umano virtuale su un chip.

Adesso siamo veramente molto eccitati.

Non ricreeremo mai un intero umano
su questi chip,

ma il nostro obiettivo è di riuscire a ricreare

abbastanza funzionalità

per potere effettuare previsioni migliori

su cosa succede nel corpo umano.

Per esempio, adesso possiamo iniziare ad esplorare

quello che accade quando assumiamo un farmaco
tipo un medicinale per aerosol.

Per quelli di voi che come me soffrono di asma,
quando usate il vostro inalatore,

possiamo esplorare come il medicinale entra nei polmoni,

come penetra nel corpo,

come può interagire, diciamo, con il cuore.

Altera il battito cardiaco?

È tossico?

Viene purificato dal fegato?

Viene metabolizzato nel fegato?

Viene espulso dai reni?

Possiamo iniziare a studiare la risposta dinamica

del corpo ad un medicinale.

Questo potrebbe davvero rivoluzionare

e cambiare le regole del gioco

non solo per l'industria farmaceutica,

ma per un intero comparto di diverse industrie,

compresa l'industria dei cosmetici.

Potenzialmente possiamo usare
la pelle su un chip

che stiamo attualmente sviluppando in laboratorio

per testare se i componenti in quei prodotti

che state usando
sono davvero sicuri per la pelle

senza bisogno di test sugli animali.

Possiamo verificare la sicurezza

di sostanze a cui siamo esposti

giornalmente nel nostro ambiente,

come i componenti dei normali detersivi domestici.

Possiamo anche usare gli organi su chip

per applicazioni nel bioterrorismo

o di esposizione alle radiazioni.

Possiamo usarli per apprendere di più

su infezioni come Ebola

o altre infezioni mortali come la SARS.

Gli organi su chip potrebbero anche cambiare

il modo di effettuare i test clinici nel futuro.

Al momento il partecipante medio

in una sperimentazione clinica
è questo: medio.

Tende ad essere di età media,
tende ad essere donna.

Non troverete molte sperimentazioni cliniche

dove vengono coinvolti bambini,

eppure ogni giorno, diamo ai bambini medicinali,

i cui unici dati di sicurezza che abbiamo

sono quelli ottenuti da adulti.

I bambini non sono adulti.

Potrebbero non reagire allo stesso modo degli adulti.

Ci sono altri fattori come le diversità genetiche

nelle popolazioni

che le possono mettere a rischio,

il rischio di avere reazioni avverse al farmaco.

Ora, immaginate se potessimo prendere cellule
da tutte queste popolazioni differenti,

metterle su dei chip,

e creare popolazioni su chip.

Questo potrebbe davvero cambiare il modo

di effettuare le sperimentazioni cliniche.

E questa è la squadra e le persone
che stanno facendo questo.

Ci sono ingegneri, ci sono biologi cellulari,

ci sono medici, lavorano tutti insieme.

Stiamo davvero assistendo a qualcosa di incredibile

al Wyss Institute.

È davvero una convergenza di discipline,

dove la biologia sta influenzando il modo di progettare,

il modo di organizzare, di costruire.

È piuttosto emozionante.

Stiamo creando importanti collaborazioni con l'industria

come quella che abbiamo con un'azienda

specializzata nella produzione digitale su larga scala.

Ci stanno aiutando a produrre,

anziché uno solo,

milioni di questi chip,

così da poterli mettere in mano

a più ricercatori possibili.

E ciò è fondamentale per il potenziale di questa tecnologia.

Lasciate che vi mostri il nostro strumento.

Questo è uno strumento che i nostri ingegneri

stanno realizzando come prototipo
proprio ora in laboratorio

e questo strumento ci darà

i controlli che ci serviranno

per connettere insieme dieci o più organi su chip.

Fa anche qualcos'altro di molto importante.

Crea una facile interfaccia per l'utilizzatore.

In modo che un biologo cellulare come me
possa arrivare,

prendere un chip, metterlo in una cartuccia,

come il prototipo che vedete qui,

mettere la cartuccia dentro la macchina,

proprio come fareste con un CD

e via.

Inserire ed accendere. Facile.

Ora, immaginiamo un po'

come potrebbe essere il futuro

se potessi prendere le tue cellule staminali

e metterle su un chip.

oppure le tue cellule staminali e mettere su un chip.

Sarebbe un chip personalizzato solo per voi.

Tutti noi qui dentro siamo individui,

e queste differenze individuali significano

che potremmo reagire in modo molto diverso

e talvolta in modo imprevedibile ai medicinali.

Io stessa, un paio di anni fa,
avevo un terribile mal di testa,

non riuscivo proprio a liberarmene, e pensai,
"Bene, adesso provo qualcosa di diverso"

Ho preso dell'Advil. Quindici minuti dopo,

ero diretta al Pronto Soccorso

con un attacco d'asma in piena regola.

Chiaramente non era mortale,

ma sfortunatamente, alcune di queste

reazioni allergiche ai medicinali possono essere fatali.

E quindi come le preveniamo?

Beh, possiamo immaginare che un giorno

avremo Geraldine su un chip,

avremo Danielle su un chip,

avremo voi su un chip.

Medicina personalizzata. Grazie.

(Applausi)