Geraldine Hamilton: Body parts on a chip

Geraldine Hamilton: Körperteile auf Chips

Übersetzung: Ruth Ahrens Lektorat: Helene Batt

We have a global health challenge

Wir stehen heute in der Medizin vor einer globalen Herausforderung:

in our hands today,

and that is that the way we currently

Die Forschung und Entwicklung neuer Medikamente

discover and develop new drugs

is too costly, takes far too long,

ist zu kostspielig, zu zeitaufwendig

and it fails more often than it succeeds.

und führt häufig zu nichts.

It really just isn't working, and that means

Das System funktioniert einfach nicht.

In der Folge bleiben Patienten dringend notwendige neue Therapien versagt.

that patients that badly need new therapies

are not getting them,

Ihre Krankheiten können nicht behandelt werden.

and diseases are going untreated.

We seem to be spending more and more money.

Trotzdem geben wir anscheinend immer mehr Geld aus.

So for every billion dollars we spend in R&D,

Pro Milliarde, die wir in Forschung und Entwicklung stecken,

we're getting less drugs approved into the market.

werden heute weniger neue Medikamente zugelassen.

More money, less drugs. Hmm.

Also mehr Geld für weniger Medikamente. Hm!

So what's going on here?

Was ist da los?

Well, there's a multitude of factors at play,

Hier spielen viele Faktoren eine Rolle.

but I think one of the key factors

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

is that the tools that we currently have

available to test whether a drug is going to work,

Tests sollen zeigen, ob ein Arzneimittel funktioniert.

whether it has efficacy,

Sie prüfen, ob es wirksam und sicher ist,

or whether it's going to be safe

before we get it into human clinical trials,

bevor die klinische Prüfung am Menschen beginnt.

are failing us. They're not predicting

Diese Tests versagen.

what's going to happen in humans.

Sie sagen nicht vorher, was im Menschen geschehen wird.

And we have two main tools available

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

at our disposal.

They are cells in dishes and animal testing.

Zellen in der Petrischale und Tierversuche.

Now let's talk about the first one, cells in dishes.

Beschäftigen wir uns zuerst mit den Zellen in der Petrischale.

So, cells are happily functioning in our bodies.

Solange die Zellen im Körper sind, funktionieren sie bestens.

We take them and rip them out

Reißen wir sie aber aus dieser Umgebung heraus,

of their native environment, throw them in one of these dishes,

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

and expect them to work.

Guess what. They don't.

was dann? Es klappt nicht.

They don't like that environment

Sie mögen die neue Umgebung nicht.

because it's nothing like

Denn sie ist völlig anders als der menschliche Körper.

what they have in the body.

Und wie steht es mit den Tierversuchen?

What about animal testing?

Well, animals do and can provide

Tiere liefern uns äußerst nützliche Informationen.

extremely useful information.

They teach us about what happens

Sie vermitteln uns, was in einem komplexen Organismus geschieht.

in the complex organism.

We learn more about the biology itself.

Wir erhalten einen besseren Einblick in biologische Vorgänge.

However, more often than not,

Allerdings sagt das Tiermodell oftmals nicht vorher,

animal models fail to predict what will happen in humans

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

when they're treated with a particular drug.

So we need better tools.

Darum brauchen wir bessere Testinstrumente.

We need human cells,

Wir brauchen menschliche Zellen.

but we need to find a way to keep them happy

Und wir brauchen Möglichkeiten,

sie außerhalb des Körpers gedeihen zu lassen.

outside the body.

Our bodies are dynamic environments.

Unser Körper ist eine dynamische Umgebung.

We're in constant motion.

Wir sind immer in Bewegung.

Our cells experience that.

Und daran haben unsere Zellen teil.

They're in dynamic environments in our body.

Der Körper bildet ein dynamisches Umfeld.

They're under constant mechanical forces.

Auf die Zellen wirken ständig mechanische Kräfte ein.

So if we want to make cells happy

Wenn Zellen außerhalb des Körpers gedeihen sollen,

outside our bodies,

we need to become cell architects.

müssen wir zu Zellarchitekten werden.

We need to design, build and engineer

Wir müssen für die Zellen eine "Wohlfühlumgebung" entwickeln

a home away from home for the cells.

und ihnen einen angenehmen "Zweitwohnsitz" bauen.

And at the Wyss Institute,

Genau das haben wir am Wyss Institute gemacht.

we've done just that.

We call it an organ-on-a-chip.

Das Ergebnis nennen wir "Organchip".

And I have one right here.

Hier habe ich einen.

It's beautiful, isn't it? But it's pretty incredible.

Toll, oder? Und ziemlich unglaublich.

Right here in my hand is a breathing, living

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

human lung on a chip.

And it's not just beautiful.

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

It can do a tremendous amount of things.

We have living cells in that little chip,

In diesem kleinen Chip haben wir lebende Zellen.

cells that are in a dynamic environment

Sie interagieren in einer dynamischen Umgebung mit verschiedenen Zelltypen.

interacting with different cell types.

There's been many people

Viele Forscher haben versucht, im Labor Zellen zu züchten.

trying to grow cells in the lab.

They've tried many different approaches.

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

They've even tried to grow little mini-organs in the lab.

We're not trying to do that here.

Uns geht es um etwas anderes.

We're simply trying to recreate

Wir wollen auf dem Chip

in this tiny chip

ein kleinstmögliches Funktionselement bauen,

the smallest functional unit

that represents the biochemistry,

mit der biochemischen Umgebung,

the function and the mechanical strain

den Funktionen und mechanischen Beanspruchungen,

that the cells experience in our bodies.

die den Zellen vom Körper her vertraut sind.

So how does it work? Let me show you.

Wie das möglich ist, zeige ich Ihnen jetzt.

We use techniques from the computer chip

Wir nutzen Techniken aus der Computerchip-Fertigung

manufacturing industry

to make these structures at a scale

und stellen Chips in einer Größe her,

relevant to both the cells and their environment.

die für Zellen und ihre Umgebung sinnvoll ist.

We have three fluidic channels.

Es gibt drei Strömungskanäle.

In the center, we have a porous, flexible membrane

In der Mitte befindet sich eine flexible poröse Membran,

on which we can add human cells

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

from, say, our lungs,

and then underneath, they had capillary cells,

Darunter befinden sich Kapillarzellen, also Zellen aus unseren Blutgefäßen.

the cells in our blood vessels.

And we can then apply mechanical forces to the chip

Dann lassen wir auf den Chip mechanische Kräfte einwirken.

that stretch and contract the membrane,

Sie dehnen die Membran und ziehen sie zusammen.

so the cells experience the same mechanical forces

Dadurch unterliegen die Zellen

denselben mechanischen Kräften wie beim Atmen.

that they did when we breathe.

And they experience them how they did in the body.

Sie erleben diese Kräfte genauso wie im Körper.

There's air flowing through the top channel,

Durch den oberen Kanal fließt Luft

and then we flow a liquid that contains nutrients

und durch den Blutkanal leiten wir eine Flüssigkeit mit Nährstoffen.

through the blood channel.

Now the chip is really beautiful,

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

but what can we do with it?

We can get incredible functionality

Diese kleinen Chips leisten wirklich Unglaubliches.

inside these little chips.

Let me show you.

Sehen Sie sich das einmal an.

We could, for example, mimic infection,

Wir ahmen z. B. eine Infektion nach

where we add bacterial cells into the lung.

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

then we can add human white blood cells.

White blood cells are our body's defense

Weiße Blutkörperchen sind die Körperabwehr gegen eindringende Bakterien.

against bacterial invaders,

and when they sense this inflammation due to infection,

Wenn sie eine infektionsbedingte Entzündung erkennen,

they will enter from the blood into the lung

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

and engulf the bacteria.

Well now you're going to see this happening

Sie erleben dieses Geschehen gleich live mit --

live in an actual human lung on a chip.

in einer menschlichen Lunge auf einem Chip.

We've labeled the white blood cells so you can see them flowing through,

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

and when they detect that infection,

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

they begin to stick.

They stick, and then they try to go into the lung

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

side from blood channel.

And you can see here, we can actually visualize

Wir können ein einzelnes weißes Blutkörperchen sichtbar machen.

a single white blood cell.

It sticks, it wiggles its way through

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

between the cell layers, through the pore,

comes out on the other side of the membrane,

Dann kommt es auf der anderen Membranseite heraus.

and right there, it's going to engulf the bacteria

Da frisst es die grün markierte Bakterie.

labeled in green.

In that tiny chip, you just witnessed

Durch diesen winzigen Chip wurden Sie gerade zu Augenzeugen

one of the most fundamental responses

einer der grundlegendsten Reaktionen des Körpers auf eine Infektion.

our body has to an infection.

It's the way we respond to -- an immune response.

Das ist unsere Immunreaktion.

It's pretty exciting.

Sehr spannend!

Now I want to share this picture with you,

Ich möchte Ihnen jetzt dieses Bild zeigen.

not just because it's so beautiful,

Nicht nur, weil es schön ist.

but because it tells us an enormous amount of information

Es sagt auch sehr viel darüber aus,

about what the cells are doing within the chips.

was die Zellen in den Chips eigentlich tun.

It tells us that these cells

Wir sehen hier Zellen aus den feineren Verzweigungen der Lungen.

from the small airways in our lungs,

actually have these hairlike structures

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

that you would expect to see in the lung.

These structures are called cilia,

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

and they actually move the mucus out of the lung.

Yeah. Mucus. Yuck.

Genau. Schleim - igitt!

But mucus is actually very important.

Aber Schleim ist sehr wichtig.

Mucus traps particulates, viruses,

Schleim fängt kleine Teilchen, Viren und potenzielle Allergene ein

potential allergens,

and these little cilia move

und die kleinen Flimmerhärchen transportieren den Schleim ab.

and clear the mucus out.

When they get damaged, say,

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

by cigarette smoke for example,

they don't work properly, and they can't clear that mucus out.

Dann kann der Schleim den Körper nicht verlassen.

And that can lead to diseases such as bronchitis.

Erkrankungen wie Bronchitis können die Folge sein.

Cilia and the clearance of mucus

Die Flimmerhärchen und der Abtransport von Schleim

are also involved in awful diseases like cystic fibrosis.

spielen auch bei schweren Krankheiten wie Mukoviszidose eine Rolle.

But now, with the functionality that we get in these chips,

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

we can begin to look

können wir mögliche neue Behandlungen erforschen.

for potential new treatments.

Der Lungenchip hat uns aber nicht genügt.

We didn't stop with the lung on a chip.

We have a gut on a chip.

Es gibt auch einen Darmchip.

You can see one right here.

Hier sehen Sie einen.

And we've put intestinal human cells

In den Darmchip haben wir menschliche Darmzellen gesteckt.

in a gut on a chip,

Wie im Darm unterliegen sie einer ständigen Bewegung,

and they're under constant peristaltic motion,

this trickling flow through the cells,

die langsam durch die Zellen fließt.

and we can mimic many of the functions

Wir können viele Funktionen des menschlichen Darms nachahmen.

that you actually would expect to see

in the human intestine.

Now we can begin to create models of diseases

Jetzt können wir Modelle von Krankheiten entwickeln,

such as irritable bowel syndrome.

z. B. ein Modell des Reizdarmsyndroms.

This is a disease that affects

Von dieser Krankheit sind sehr viele Menschen betroffen.

a large number of individuals.

It's really debilitating,

Sie vermindert die Lebensqualität erheblich.

and there aren't really many good treatments for it.

Doch es gibt kaum gute Therapien.

Now we have a whole pipeline

Aktuell arbeiten wir in unseren Laboren an vielen unterschiedlichen Organchips.

of different organ chips

that we are currently working on in our labs.

Now, the true power of this technology, however,

Die eigentliche Stärke dieser Technologie liegt darin,

really comes from the fact

dass wir die Chips miteinander verbinden können.

that we can fluidically link them.

There's fluid flowing across these cells,

Durch die Zellen fließt eine Flüssigkeit und verbindet unterschiedliche Chips

so we can begin to interconnect

multiple different chips together

to form what we call a virtual human on a chip.

zu einem sogenannten virtuellen Menschen auf einem Chip.

Now we're really getting excited.

Jetzt wird es richtig spannend!

We're not going to ever recreate a whole human in these chips,

Wir werden auf den Chips nie einen ganzen Menschen nachbauen.

but what our goal is is to be able to recreate

Wir haben nur das Ziel,

genügend Funktionen des Organismus nachzubilden,

sufficient functionality

so that we can make better predictions

um besser vorhersagen zu können, was im Menschen abläuft.

of what's going to happen in humans.

For example, now we can begin to explore

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

what happens when we put a drug like an aerosol drug.

Those of you like me who have asthma, when you take your inhaler,

Das betrifft Menschen wie mich, die ein Asthmaspray inhalieren.

we can explore how that drug comes into your lungs,

Wir können erforschen, wie es in die Lunge gelangt,

how it enters the body,

wie es in den Körper übertritt

how it might affect, say, your heart.

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

Does it change the beating of your heart?

Verändert es den Herzschlag? Ist es toxisch?

Does it have a toxicity?

Does it get cleared by the liver?

Wird es von der Leber abgebaut?

Is it metabolized in the liver?

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

Is it excreted in your kidneys?

We can begin to study the dynamic

Wir können die dynamischen Reaktionen des Körpers auf Medikamente erforschen.

response of the body to a drug.

This could really revolutionize

Dies könnte wirklich eine Revolution auslösen.

and be a game changer

for not only the pharmaceutical industry,

Es würde nicht nur die Pharmaindustrie verändern.

but a whole host of different industries,

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

including the cosmetics industry.

We can potentially use the skin on a chip

Wir entwickeln im Labor gerade einen Hautchip,

that we're currently developing in the lab

mit dem wir prüfen können,

to test whether the ingredients in those products

ob Sie die Inhaltsstoffe Ihrer Produkten

that you're using are actually safe to put on your skin

gefahrlos auf Ihre Haut auftragen können.

without the need for animal testing.

Ganz ohne Tierversuche.

We could test the safety

Wir könnten testen, wie sicher die Chemikalien sind,

of chemicals that we are exposed to

on a daily basis in our environment,

denen wir in der Umwelt täglich ausgesetzt sind,

such as chemicals in regular household cleaners.

z. B. Chemikalien handelsüblicher Haushaltsreiniger.

We could also use the organs on chips

Weitere Einsatzgebiete der Organchips wären etwa

for applications in bioterrorism

Bioterrorismus oder Strahlenbelastung.

or radiation exposure.

We could use them to learn more about

Wir könnten damit ein besseres Verständnis tödlicher Krankheiten

diseases such as ebola

wie Ebola und SARS gewinnen.

or other deadly diseases such as SARS.

Organs on chips could also change

Organchips könnten die Durchführung klinischer Studien verändern.

the way we do clinical trials in the future.

Right now, the average participant

Momentan sind die durchschnittlichen Teilnehmer klinischer Studien genau das:

in a clinical trial is that: average.

durchschnittlich.

Tends to be middle aged, tends to be female.

Vorwiegend mittleren Alters und vorwiegend weiblich.

You won't find many clinical trials

Sie finden nur wenige klinische Studien an Kindern.

in which children are involved,

yet every day, we give children medications,

Trotzdem geben wir Kindern täglich Medikamente,

and the only safety data we have on that drug

obwohl die einzigen Daten zur Sicherheit der Arznei

is one that we obtained from adults.

von Erwachsenen stammen.

Children are not adults.

Kinder sind nicht erwachsen.

They may not respond in the same way adults do.

Sie können anders reagieren als Erwachsene.

There are other things like genetic differences

Weitere Risikofaktoren sind genetische Unterschiede in der Bevölkerung.

in populations

that may lead to at-risk populations

Darum können manche Bevölkerungsgruppen

that are at risk of having an adverse drug reaction.

stärker von schädlichen Nebenwirkungen betroffen sein.

Now imagine if we could take cells from all those different populations,

Stellen Sie sich vor, mit den Zellen der verschiedenen Bevölkerungsgruppen

put them on chips,

and create populations on a chip.

würden wir Chips nach Bevölkerungsgruppe herstellen.

This could really change the way

Das könnte die Durchführung klinischer Studien dramatisch verändern.

we do clinical trials.

And this is the team and the people that are doing this.

Hier sehen Sie das Mitarbeiterteam.

We have engineers, we have cell biologists,

Unsere Ingenieure, Zellbiologen und Klinikärzte arbeiten zusammen.

we have clinicians, all working together.

We're really seeing something quite incredible

Hier am Wyss Institute sehen wir etwas Wunderbares --

at the Wyss Institute.

It's really a convergence of disciplines,

das Zusammenwirken verschiedener Disziplinen.

where biology is influencing the way we design,

Die Biologie beeinflusst das Design und die Entwicklung.

the way we engineer, the way we build.

It's pretty exciting.

Das ist sehr spannend.

We're establishing important industry collaborations

Wir bauen Kooperationen mit der Branche auf,

such as the one we have with a company

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

that has expertise in large-scale digital manufacturing.

They're going to help us make,

Diese Firma wird uns helfen,

instead of one of these,

statt eines solchen Chips Millionen herzustellen,

millions of these chips,

so that we can get them into the hands

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

of as many researchers as possible.

And this is key to the potential of that technology.

Nur so können wir das Potenzial dieser Technik voll ausschöpfen.

Now let me show you our instrument.

Jetzt möchte ich Ihnen unser Testinstrument zeigen.

This is an instrument that our engineers

Zurzeit bauen die Ingenieure

are actually prototyping right now in the lab,

einen Prototyp dieses Instruments im Labor.

and this instrument is going to give us

Das Gerät bietet uns Steuerungsmöglichkeiten.

the engineering controls that we're going to require

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

in order to link 10 or more organ chips together.

It does something else that's very important.

Außerdem leistet es noch etwas sehr Wichtiges:

It creates an easy user interface.

Es ist einfach zu bedienen.

So a cell biologist like me can come in,

Zellbiologen wie ich

nehmen einfach einen Chip und geben ihn in eine Kartusche,

take a chip, put it in a cartridge

like the prototype you see there,

wie bei dem Prototyp im Bild dort.

put the cartridge into the machine

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

just like you would a C.D.,

and away you go.

Plug and play. Easy.

Plug-and-play. Ganz einfach.

Now, let's imagine a little bit

Malen wir uns damit einmal die Zukunft aus.

what the future might look like

if I could take your stem cells

Könnte ich Ihre Stammzellen nehmen und auf einen Chip bannen,

and put them on a chip,

or your stem cells and put them on a chip.

oder auch Ihre Stammzellen,

It would be a personalized chip just for you.

dann wäre das ein Chip für Sie ganz persönlich.

Now all of us in here are individuals,

Wir alle in diesem Raum sind Individuen.

and those individual differences mean

Und wegen unserer Individualität

that we could react very differently

können wir völlig unterschiedlich und unvorhersehbar auf Medikamente reagieren.

and sometimes in unpredictable ways to drugs.

I myself, a couple of years back, had a really bad headache,

Ich selbst hatte vor einigen Jahren unerträgliche Kopfschmerzen.

just couldn't shake it, thought, "Well, I'll try something different."

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

I took some Advil. Fifteen minutes later,

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

I was on my way to the emergency room

with a full-blown asthma attack.

Now, obviously it wasn't fatal,

Offensichtlich war es nicht tödlich.

but unfortunately, some of these

Doch manche Nebenwirkungen von Medikamenten

adverse drug reactions can be fatal.

können tatsächlich zum Tod führen.

So how do we prevent them?

Wie können wir das vermeiden?

Well, we could imagine one day

Vielleicht gibt es eines Tages einen Geraldine-Chip,

having Geraldine on a chip,

having Danielle on a chip,

einen Danielle-Chip und einen Chip für Sie.

having you on a chip.

Personalized medicine. Thank you.

Individualisierte Medizin. Vielen Dank.

(Applause)

(Applaus)