人體器官晶片

一個新藥、一個更好的療法想像起來相對簡單。然而，困難的部分在於測試它；這個步驟可能讓有潛力的療法延宕數年。在 Geraldine Hamilton 這段清楚明瞭的演說當中，說明了她實驗室創造出來的人體器官晶片。這些晶片構造簡單，但卻具備了所有測試新藥所需的重要條件--甚至能客製化療程。(影片攝於TEDxBoston)

我們现在正面臨全球人們健康的挑戰

而目前尋找以及研發新藥
太過昂貴、耗時

且大多以失敗收場

這樣的方式是無效的

也代表迫切需要新式療法的病人得不到治療

疾病也就無法被醫治

我們似乎花越來越多的金錢

花在研發的每一個十億美元

都得到更少成功上市的藥

更多的錢，更少的藥。嗯

到底發生了什麼事？

嗯，有多種因素牽扯其中

但我認為最重要的原因是

在進入人體臨床試驗之前

目前用來測試藥物是否有效
或是否安全所使用的工具讓我們相當失望

它們無法預測在人體內會發生的事

目前有兩種主要的工具

那就是細胞培養以及動物試驗

我們先來說說第一種，細胞培養

好，細胞在我們的身體裡面快樂地工作著

我們把它們從正常生長環境中取出來

並丟到這些培養皿的其中之一

希望它們依然能夠運作

結果並不意外
它們不能

它們不喜歡那樣的環境

因為這跟身體裡面的環境完全不同

動物試驗呢？

的確，動物能夠提供有用的訊息
牠們告訴我們在複雜器官結構中細胞的變化

我們學到了很多生物學的相關知識

但是通常來說

動物模型並無法預測使用某種特定藥物時
在人體內發生的事

所以我們需要更好的工具

我們需要人體細胞

但是我們要找到讓它們
在體外也能「快樂」的方法

我們的身體是個動態的環境

一直在活動著

我們的細胞也是這樣

它們也處於動態的環境、感受持續的作用力

因次如果我們想讓細胞「快樂」的在體外生活

我們就得成為細胞建築師

去設計、建造、監控細胞們的另外一個家

在維斯研究所（Wyss Institute），我們已經做到了

我們把它叫做晶片上的器官

我這裡正好有一個

它真美，對吧？
但卻是如此地不可思議

在我手上的是一個在晶片上
會呼吸、活生生的人類的肺

它不只是美

它能做強大到令人驚歎的事

在晶片上的細胞是活的

且處於動態環境

能夠和不同種類的細胞交互作用

有很多人嘗試過在實驗室裡培養細胞

他們試過很多種方法

他們甚至試過在實驗室裡培養迷你的器官

我們並不那麼做

我們只是在這小小的晶片上
創造了最小的功能單位

這些單位代表了細胞在我們體內所經歷的
生化反應、作用機能和機械應變

它們怎麼運作呢？讓我告訴你們

我們運用了電腦晶片的技術來創造
這些規模和細胞以及生長環境相仿的結構

其中有三條液體通道

在中間部分有兼具通透性以及彈性的膜

在這些膜上我們可以放上人體細胞
例如肺部細胞

下層則有微血管細胞

然後我們就可以對晶片施加
伸展以及收縮這些膜的作用力

而在中間的細胞就會受到
在我們呼吸的時候所承受的作用力

就如同在我們體內的時候一樣

最上方的通道有氣流流過

然後帶有養分的液體會流過血液通道

晶片是很漂亮，但是我們要怎麼利用呢？

這些小小的晶片具有相當不可思議的功能

讓我告訴你們吧

例如，加入細菌細胞就能夠模擬肺部感染

然後加入人類白血球

白血球在我們體內
扮演抵抗細菌入侵的角色

當它們接受到因感染而引起的發炎反應時

就會經由血管進入肺部並吞嗜細菌

你們將會看到這個在真正的人類肺部發生的過程
發生在這片晶片上

我們標記了白血球
所以你們能夠看到它們正常流過

當它們偵測到感染時，就會開始黏附（細菌）

黏附之後，就會試著從血管這一側進入肺部

如你所見，我們能夠
捕捉到單一一顆白血球

黏附、擺動著穿越細胞層、細胞核

到達膜的另外一側

就在這裡，白血球將會
吞噬擁有綠色標記的細菌

在小小的晶片上，你見到了我們身體
對感染的最基礎反應

這就是所謂的免疫反應

相當令人興奮

現在我想分享這張圖片

不只是因為它很美

也因為它告訴了我們
很多細胞在晶片上所發生的事

它告訴我們這些
來自肺部細小氣管中的細胞

其實有著你能夠想像得到的毛髮狀結構

這些構造稱為纖毛

它們的作用是把黏液掃出肺部

對。黏液。真噁心

但是黏液其實非常重要

黏液會抓住顆粒、病毒、潛在過敏原

而這些纖毛會將黏液清出肺部

當它們被例如香菸等等破壞的時候

就沒辦法正常作用，也就無法將黏液清掉

這會導致支氣管炎之類的疾病

纖毛以及黏液的清除
也和囊性纖維化等嚴重疾病有關

但是有了這些晶片的功能

我們就能夠著手尋找新的治療方法

這些晶片並不侷限於肺

我們也有了腸道晶片

就是這個

我們將人類小腸細胞放進腸道晶片中

它們會持續蠕動並傳導到所有的細胞

因此我們能夠模擬許多功能

就如同你在人類小腸所見的一般

現在我們可以開始建立腸燥症的模型了

這種疾病困擾了很多人

它讓人變得虛弱
而且好的治療方法不多

現在我們正在實驗室裡
研發一系列不同的器官晶片

然而，這項技術的真正強大之處

在於我們能夠用液體使它們產生連結

細胞之間有液體流通
因此我們可以把多個晶片連結在一起

形成一個所謂的「人類晶片」

我們真的很興奮

我們並不會過度重製人類

我們的目標是再造足夠的功能性

讓我們得以更好的預測體內會發生的事

舉例來說，我們已經可以去探索
使用了噴劑藥物後所發生的事

氣喘病人使用吸入劑之後

我們可以探尋藥物是如何進入肺部、身體

會影響哪些器官，例如心臟

它會改變心跳嗎？

他有毒性嗎？

他會經由肝臟清除嗎？

他會經由肝臟代謝嗎？

它會經由腎臟排泄嗎？

我們可以開始研究藥物在體內的動態反應

這將會是革命性的改變

不僅僅是針對製藥工業，也會影響很多不同的產業
包括化妝品工業

未來將可以利用我們
正在實驗室裡研發的皮膚晶片

在不需要動物試驗的情況下來測試
這些產品裡的成分對皮膚是否安全

我們可以測試每天都會
接觸到的化學製品是否安全

例如家庭清潔劑裡面的成分

我們也可以將器官晶片利用在
生物恐怖主義以及輻射暴露方面

我們可以將它們用在伊波拉病毒
或是其他致命性疾病
例如SARS

器官晶片也得以改變未來的臨床試驗方式

目前，平均來說臨床試驗的對象都太單一了

通常是中年、通常是女性

你不會看到臨床試驗的對象有孩童

但是我們每天都會餵孩子吃藥

而我們所擁有的安全性資料都來自於成人

孩童並不是成人

他們可能會有不同於成人的反應

人群和人群之間也會有遺傳差異
這可能會導致有負面藥物反應的危險族群

想像我們可以把彼此有差異的
族群細胞取出並放在晶片上

並創造一個族群晶片

這絕對會改變臨床試驗的做法

而這正是研究團隊正在努力的方向

工程師、細胞生物學家、醫師
所有人正通力合作

現在 Wyss Institute 已經有了相當不可思議的成果了

它集合了各方的大成

生物學影響了工程以及建造的定義

這真是令人興奮

我們正和業界進行重要的合作

例如一家專精於大規模數位製造的公司

他們將會協助我們製造不止一個
而是數以百萬計的晶片

讓我們得以將晶片交給盡可能多的研究人員

而這就是這項科技潛力的關鍵

現在，讓我來介紹我們的儀器

這台儀器是我們目前實驗室裡的原型

它能提供我們連結十個
或更多的晶片所需要的工程控制

此外，它也能辦到其它很重要的工作

它擁有很簡單的使用介面

因此一個像我一樣的細胞生物學家
也可以進到實驗室

把一片晶片放進
像這台一般的原型機卡匣中

然後把卡匣放進機器裡，就像放 CD 一樣

插上電並播放。輕鬆容易

現在，讓我們來想像一下
未來可能發生的事情

假設我能把你的幹細胞放進晶片裡

這就像是你個人的晶片

現在在這裡的每個人都是獨立個體

個體差異代表我們對藥物
可能有天差地遠或無法預測的反應

我個人在幾年前有很嚴重的頭痛

完全沒辦法搖頭、思考
「好吧，我要嘗試些其它方法」

我吃了一些Advil。十五分鐘以後我就因為嚴重氣喘發作而在前往急診室的路上了

很明顯地，我並沒有死

但是很不幸地，有些藥物的負面反應是致命的

那我們要怎麼避免呢？

嗯，可預見的是有一天將出現

Geraldine 晶片

Danielle 晶片

你的晶片

個人化醫療。謝謝

（掌聲）