Bộ phận cơ thể trên một con chíp

Bạn có thể tưởng tượng khá dễ dàng về một phương thuốc mới, một cách điều trị tốt hơn cho căn bệnh nào đó. Phần khó khăn là thử nghiệm nó, và việc này có thể làm chậm ứng dụng những phương thuốc mới trong nhiều năm. Trong bài trình bày cặn kẽ này, Geraldine Hamilton cho thấy cách phòng thí nghiệm của cô ấy tạo ra những cơ quan và bộ phận cơ thể trên một con chíp, những cấu trúc đơn giản với đầy đủ yếu tố thiết yếu giúp thử nghiệm những loại thuốc mới -- thậm chí những phương thuốc điều trị chuyên biệt cho một người cụ thể.

Ngày nay chúng ta đối mặt với thách thức

về vấn đề sức khỏe toàn cầu,

và thách thức đó là cách chúng ta

tìm ra và phát triển các phương thuốc hiện nay

quá tốn kém, mất quá nhiều thời gian,

và nó thường thất bại hơn là thành công.

Nó thực sự vô tác dụng, và điều đó có nghĩa

rằng người bệnh đang rất cần những phương thuốc mới

sẽ không có thuốc,

và những căn bệnh vẫn chưa được chữa trị.

Có vẻ như chúng ta đang tiêu ngày càng nhiều tiền hơn.

Vì vậy với mỗi tỷ đô la chúng ta dùng trong nghiên cứu và phát triển thuốc,

chúng ta sẽ có ít thuốc được cho phép bán hơn.

Nhiều tiền hơn, nhưng lại ít thuốc hơn. Hmm.

Vậy chuyện gì đang xảy ra ở đây?

Có vô số các yếu tố ảnh hưởng ở đây,

nhưng tôi nghĩ một trong những yếu tố quan trọng

là những công cụ chúng ta hiện có

cho phép chúng ta kiểm tra xem thuốc có tác dụng,

hay có hiệu quả,

hay thuốc có an toàn hay không

trước khi ta đưa ra thử nghiệm lâm sàng trên người,

đang làm chúng ta thất bại. Chúng không giúp đoán được

điều gì sắp xảy ra trên con người.

Và chúng ta có hai công cụ chính

cho chúng ta tùy ý sử dụng.

Đó là thử nghiệm trên các tế bào và thử nghiệm trên động vật

Bây giờ hãy nói về cái đầu tiên, thử nghiệm trên tế bào.

Các tế bào hoạt động nhịp nhàng trong cơ thể chúng ta.

Chúng ta lấy chúng ra và tách chúng ra

khỏi môi trường quen thuộc của chúng,
ném chúng vào một trong những cái đĩa này,

và hy vọng chúng hoạt động.

Bạn đoán thử xem. Chúng không hoạt động.

Chúng không thích môi trường đó

bởi vì không có gì thực sự giống

môi trường chúng có trong cơ thể.

Còn thử nghiệm trên động vật thì sao?

À, động vật có thể cung cấp

những thông tin cực kỳ hữu ích.

Chúng cho ta biết chuyện gì đang xảy ra

trong các tổ chức cơ thể phức tạp.

Chúng ta có thể học được nhiều về sinh học từ đó.

Tuy nhiên, hầu như thường xuyên,

mẫu thử động vật không thể giúp dự đoán
những gì xảy ra trên người

khi chúng được điều trị với một loại thuốc cụ thể.

Vì vậy chúng ta cần những công cụ tốt hơn.

Chúng ta cần những tế bào của người,

nhưng chúng ta cần tìm ra cách giữ cho chúng

hoạt động bên ngoài cơ thể người.

Cơ thể chúng ta là môi trường luôn biến đổi.

Chúng ta có những biến đổi nhất định.

Các tế bào trải qua môi trường như thế.

Chúng ở trong môi trường biến động trong cơ thể ta.

Chúng được đặt dưới những lực cơ học liên tục.

Vì thế chúng ta muốn các tế bào mạnh khỏe

bên ngoài cơ thể ta,

chúng ta cần trở thành kiến trúc sư cho tế bào.

Chúng ta cần thiết kế, xây dựng và hoàn thiện

một ngôi nhà khác cho các tế bào.

Và ở học viện Wyss,

chúng tôi đã làm điều đó.

Chúng tôi gọi nó là một "bộ phận cơ thể trên một con chíp".

Và tôi có một con ở đây.

Nó đẹp phải không?
Nhưng khá là phi thường đấy.

Ngay đây trong tay tôi là một lá phổi của người đang thở,

đang sống trên một con chíp.

Và nó không chỉ đẹp.

Nó còn có thể làm cực kỳ nhiều việc khác.

Chúng tôi có những tế bào sống trên con chíp nhỏ xíu,

các tế bào trong môi trường biến động

tác động qua lại với các dạng tế bào khác.

Đã có nhiều người

cố nuôi tế bào trong phòng thí nghiệm.

Họ cố thử nhiều phương pháp khác nhau.

Thậm chí họ thử nuôi những bộ phận
nhỏ trong phòng thí nghiệm.

Chúng tôi không cố làm điều đó ở đây.

Chúng tôi chỉ đơn giản đang cố tái tạo

trong con chíp tí xíu này

một đơn vị chức năng nhỏ nhất

để làm ra môi trường hóa sinh,

chức năng và áp lực cơ học

mà tế bào gặp phải trong cơ thể chúng ta.

Vậy nó hoạt động như thế nào?
Để tôi cho các bạn xem.

Chúng tôi sử dụng những kỹ thuật từ ngành công nghiệp

sản xuất chíp máy tính

để làm ra những cấu trúc với kích thước nhỏ

thích hợp cho cả tế bào và môi trường của chúng.

Chúng tôi có 3 kênh chất lỏng.

Ở chính giữa, chúng tôi có một màng co giãn với lỗ xốp,

trên đó ta có thể đặt các tế bào của người,

ví dụ như phổi,

và ở bên dưới, chúng có các tế bào mao dẫn,

những tế bào như trong mạch máu chúng ta.

Và chúng tôi có thể tác động các lực cơ học lên con chíp

để kéo giãn và làm co lại lớp màng,

giúp cho tế bào tiếp nhận những lực cơ học

y hệt như khi chúng ta thở.

Thế là các tế bào có trải nghiệm tương tự như trong cơ thể.

Có luồng khí di chuyển qua kênh trên cùng,

và sau đó chúng tôi cho dung dịch chứa chất dinh dưỡng chảy

qua kênh dẫn máu.

Bây giờ con chíp thực sự đẹp,

nhưng chúng ta có thể làm gì với nó?

Chúng ta có thể có những chức năng phi thường

bên trong những con chíp nhỏ thế này.

Để tôi chỉ cho các bạn.

Chúng ta có thể, ví dụ, bắt chước quá trình lây nhiễm,

khi chúng ta cấy các tế bào vi khuẩn vào phổi,

sau đó ta có thể thêm vào bạch cầu.

Các tế bào bạch cầu là cơ quan bảo vệ cơ thể ta

chống lại những vi khuẩn xâm nhập,

và khi bạch cầu nhận ra
kích thích của sự lây nhiễm này,

chúng sẽ từ máu đi vào phổi

và nuốt chửng lấy vi khuẩn.

Như các bạn sẽ thấy nó diễn ra trực tiếp

ngay bây giờ trong phổi người thực sự trên con chíp.

Chúng tôi đánh dấu các tế bào bạch cầu
để bạn có thể thấy chúng chảy qua,

và khi chúng phát hiện sự lây nhiễm,

chúng bắt đầu tụ lại.

Chúng tụ lại, và sau đó chúng cố chui vào trong phổi

từ dòng máu chảy.

Và bạn có thể thấy ở đây, chúng ta có thể thực sự

nhìn ra từng tế bào bạch cầu.

Chúng dính lại, ngọ nguậy

giữa các lớp tế bào, qua các lỗ nhỏ như chân lông,

thoát ra trên bề mặt bên kia của màng co giãn,

và ngay đó, nó sẽ nuốt lấy vi khuẩn

được đánh dấu màu xanh.

Trong con chíp bé đó, bạn vừa chứng kiến

một trong những phản ứng cơ bản nhất

của cơ thể đối với sự lây nhiễm.

Đó là cách chúng ta phản ứng lại -- một phản ứng của hệ miễn dịch.

Khá thú vị nhỉ!

Giờ tôi muốn chia sẻ bức hình này với quý vị,

không đơn thuần vì nó quá đẹp,

mà là vì nó cho chúng ta cực nhiều thông tin

về cái mà các tế bào đang làm trong con chíp.

Nó cho chúng ta biết rằng những tế bào này

từ đường hô hấp nhỏ trong phổi,

thực sự có những cấu trúc như sợi tóc

mà bạn sẽ có thể thấy trong phổi.

Những cấu trúc này được gọi là lông mao,

và nó di chuyển chất nhầy ra khỏi phổi.

Yeah. Chất nhầy. Thật đáng sợ.

Nhưng chất nhầy thực sự rất quan trọng.

Chất nhầy bẫy các vật thể hạt, virus,

chất có thể gây dị ứng,

và các lông mao nhỏ này di chuyển

và làm sạch các chất nhầy ra ngoài.

Khi lông mao bị tổn hại

bởi khói thuốc lá chẳng hạn,

chúng không làm việc đúng cách,
và chúng không thể đưa hết chất nhầy ra ngoài.

Và có thể dẫn đến các bệnh như viêm phế quản.

Lông mao và việc làm sạch chất nhầy

cũng liên quan đến các bệnh khủng khiếp như xơ nang.

Nhưng bây giờ, với các chức năng
mà chúng ta có trong các con chíp này,

chúng ta có thể bắt đầu tìm kiếm

các phương pháp điều trị mới tiềm năng.

Chúng tôi không dừng lại với lá phổi trên một con chíp .

Chúng tôi có một đoạn ruột trên một con chíp.

Bạn có thể thấy một con ngay ở đây.

Và chúng tôi đã đưa các tế bào tiêu hóa của con người

vào trong một đoạn ruột trên một con chíp,

và chúng đang theo chuyển động nhu động của ruột liên tục,

dòng chảy này chảy qua các tế bào,

và chúng tôi có thể bắt chước nhiều chức năng

mà bạn thực sự mong đợi để xem

bên trong ruột người.

Bây giờ chúng ta có thể bắt đầu tạo ra các mô hình bệnh

chẳng hạn như hội chứng ruột kích thích.

Đây là một bệnh ảnh hưởng

đến rất nhiều người.

Nó thực sự gây suy nhược,

và không thực sự có nhiều phương pháp tốt điều trị cho nó.

Bây giờ chúng tôi có cả một đường ống dẫn

các cơ quan khác nhau trên chíp

mà chúng tôi đang nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của mình.

Giờ đây, sức mạnh thực sự của công nghệ này, tuy nhiên,

xuất phát từ thực tế rằng

chúng ta có thể liên kết chúng bằng các kênh chất lỏng.

Các chất lỏng chảy qua các tế bào,

vì vậy chúng tôi có thể bắt đầu kết nối

nhiều chip khác nhau lại với nhau

để tạo thành cái mà chúng tôi gọi là một con người ảo trên một chíp.

Chúng tôi thực sự cảm thấy thú vị.

Chúng tôi sẽ không bao giờ tái tạo
toàn bộ con người trong các con chíp,

nhưng mục tiêu của chúng tôi là có thể tái tạo

vừa đủ các chức năng

để chúng ta có thể dự đoán tốt hơn

về những gì sẽ xảy ra cho người.

Ví dụ, bây giờ chúng tôi có thể bắt đầu tìm hiểu

những gì sẽ xảy ra nếu chúng tôi đặt
một loại thuốc kiểu thuốc xịt.

Những người giống như tôi mắc bệnh hen suyễn,
khi bạn dùng ống xịt trị xuyễn,

chúng ta có thể khám phá xem thuốc đi vào phổi bạn như thế nào,

nó đi vào cơ thể như thế nào,

nó có thể ảnh hưởng đến tim của bạn như thế nào.

Liệu nó có thay đổi nhịp đập của tim bạn?

Liệu nó có độc tính?

Liệu nó có được đào thải hết ở gan?

Hay nó có chuyển hóa ở gan không?

Nó có bài tiết qua thận của bạn?

Chúng ta có thể bắt đầu nghiên cứu

phản ứng động của cơ thể với thuốc.

Điều này có thể thực sự cách mạng hóa

và làm thay đổi cuộc chơi

không chỉ cho ngành công nghiệp dược phẩm,

mà còn một loạt các ngành công nghiệp khác nhau,

bao gồm cả ngành công nghiệp mỹ phẩm.

Chúng ta có tiềm năng sử dụng da trên một con chíp

mà chúng tôi hiện đang phát triển trong phòng thí nghiệm

để kiểm tra xem các thành phần trong các mỹ phẩm

mà bạn đang sử dụng có thực sự
an toàn để bôi trên da của bạn hay không

mà không cần thử nghiệm trên động vật.

Chúng ta có thể kiểm tra độ an toàn

của hóa chất mà chúng ta đang tiếp xúc

hàng ngày trong môi trường của chúng ta,

như hóa chất trong chất tẩy rửa gia dụng thông thường.

Chúng ta cũng có thể sử dụng các cơ quan trên chíp

cho các ứng dụng trong lĩnh vực khủng bố sinh học

hoặc phơi nhiễm bức xạ.

Chúng ta có thể sử dụng chúng để tìm hiểu thêm về

các dịch bệnh như Ebola

hoặc những căn bệnh chết người khác như SARS.

Các cơ quan trên chíp cũng có thể thay đổi

cách chúng ta làm thử nghiệm lâm sàng trong tương lai.

Vào lúc này, đối tượng trung bình tham gia

trong một thử nghiệm lâm sàng là: mức trung bình.

Có xu hướng là trung niên, có xu hướng là nữ.

Bạn sẽ không tìm thấy nhiều thử nghiệm lâm sàng

trong đó có trẻ em tham gia,

nhưng mỗi ngày, chúng ta cung cấp cho trẻ em các loại thuốc ,

và dữ liệu an toàn duy nhất chúng ta có trên thuốc

là thứ mà chúng ta thu thập từ người lớn.

Trẻ em đâu phải là người lớn.

Chúng có thể không phản ứng cùng một cách như người lớn.

Có những thứ khác như sự khác biệt di truyền

trong các nhóm người

có thể đưa đến một số nhóm dễ tổn thương

có nhiều nguy cơ gặp phản ứng có hại của thuốc.

Bây giờ hãy tưởng tượng nếu chúng ta có thể lấy tế bào
từ tất cả những nhóm người khác nhau,

đặt chúng trên các con chíp,

và tạo ra các quần thể trên một con chíp.

Điều này thực sự có thể thay đổi cách

chúng ta làm thử nghiệm lâm sàng.

Và đây là điều mà nhóm và mọi người trong nhóm chúng tôi
đang làm.

Chúng tôi có các kỹ sư, chúng tôi có các nhà sinh học tế bào,

chúng tôi có các bác sĩ, tất cả làm việc cùng nhau.

Chúng tôi thực sự đang thấy một điều gì đó thật lạ thường

tại hoc viện Wyss.

Nó thực sự là một sự hội tụ của các ngành,

nơi sinh học cũng ảnh hưởng đến cách chúng tôi thiết kế,

cách chúng tôi chế tạo, cách chúng tôi xây dựng.

Điều đó thú vị lắm.

Chúng tôi đang thiết lập những mối hợp tác quan trọng với công nghiệp

chẳng hạn quan hệ với một công ty

có chuyên môn trong sản xuất chíp số quy mô lớn.

Họ sẽ giúp chúng tôi làm ra,

thay vì chỉ là một trong những con chíp ở đây,

hàng triệu những con chíp như vậy,

để chúng tôi có thể đưa chúng

đến tay của càng nhiều nhà nghiên cứu càng tốt.

Và đây là chìa khóa giải phóng tiềm năng của công nghệ đó.

Bây giờ để tôi cho bạn xem thiết bị của chúng tôi.

Đây là một thiết bị mà các kỹ sư của chúng tôi

đang tạo mẫu trong phòng thí nghiệm,

và công cụ này sẽ cung cấp cho chúng tôi

các kỹ thuật điều khiển mà chúng tôi sẽ cần

để liên kết 10 hoặc nhiều hơn các chíp cơ quan với nhau.

Nó còn làm việc khác rất quan trọng.

Nó tạo ra một giao diện người dùng dễ sử dụng.

Nhờ đó một nhà sinh vật học tế bào như tôi có thể nhảy vào,

lấy một con chíp, đặt nó trong một cái hộp

như nguyên mẫu mà bạn nhìn thấy ở đó,

đặt hộp vào máy

giống như bạn nhét một chiếc CD,

và bạn đi ra.

Đặt vào và sử dụng. Quá dễ dàng.

Bây giờ, hãy tưởng tượng một chút

hình dung tương lai sẽ như thế nào

nếu tôi có thể lấy tế bào gốc của bạn

và đặt chúng trên một chíp,

hoặc tế bào gốc của bạn và đặt chúng trên một con chíp.

Nó sẽ là một con chíp được thiết kế riêng cho bạn.

Bây giờ tất cả chúng ta ở đây là những cá nhân,

và những sự khác biệt cá nhân có nghĩa là

chúng ta có thể phản ứng rất khác nhau

và đôi khi theo những cách không thể đoán trước với thuốc.

Bản thân tôi, vài năm trước,
bị một chứng đau đầu nghiêm trọng,

đến nỗi không lắc cái đầu, và nghĩ rằng,
" Chà, tôi sẽ thử một loại thuốc khác nào đó."

Tôi lấy một số thuốc Advil. Mười lăm phút sau,

tôi đang trên đường đến phòng cấp cứu

với một cơn hen suyễn nặng.

Bây giờ, rõ ràng là nó không gây tử vong,

nhưng thật không may, một số trong những

phản ứng có hại của thuốc có thể rất nguy kịch.

Vì vậy, làm thế nào để chúng ta ngăn chặn chúng?

Vâng, chúng ta có thể tưởng tượng một ngày

có phiên bản của Geraldine trên con chíp,

có phiên bản của Danielle trên một chíp,

có phiên bản của chính bạn trên một con chip.

Thuốc cá nhân hóa cho từng người. Xin cảm ơn.

(Vỗ tay)