TED日本語 - ジュラルディン・ハミルトン: 「臓器チップ」がもたらす未来

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TED日本語 - ジュラルディン・ハミルトン: 「臓器チップ」がもたらす未来

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「臓器チップ」がもたらす未来
Body parts on a chip
ジュラルディン・ハミルトン
Geraldine Hamilton

内容

新しい薬や病気の治療法を考え出すのは、比較的簡単です。難しいのはその試験で、それによって、将来性のある治療法が何年も使うことができないこともあります。この詳細に語られるトークで、ジュラルディン・ハミルトンは、彼女の研究所がチップ上にどう臓器や体の一部を作りだしたか紹介します。新薬を試験するのに必要な部分だけを備えたシンプルな構造のチップによって、その人だけに合った治療法を探し出すこともできます。(TEDxBostonで撮影)

Script

We have a global health challenge in our hands today, and that is that the way we currently discover and develop new drugs is too costly, takes far too long, and it fails more often than it succeeds. It really just isn't working, and that means that patients that badly need new therapies are not getting them, and diseases are going untreated. We seem to be spending more and more money. So for every billion dollars we spend in R & D, we're getting less drugs approved into the market. More money, less drugs. Hmm.

So what's going on here? Well, there's a multitude of factors at play, but I think one of the key factors is that the tools that we currently have available to test whether a drug is going to work, whether it has efficacy, or whether it's going to be safe before we get it into human clinical trials, are failing us. They're not predicting what's going to happen in humans. And we have two main tools available at our disposal. They are cells in dishes and animal testing.

Now let's talk about the first one, cells in dishes. So, cells are happily functioning in our bodies. We take them and rip them out of their native environment, throw them in one of these dishes, and expect them to work. Guess what. They don't. They don't like that environment because it's nothing like what they have in the body.

What about animal testing? Well, animals do and can provide extremely useful information. They teach us about what happens in the complex organism. We learn more about the biology itself. However, more often than not, animal models fail to predictwhat will happen in humans when they're treated with a particular drug.

So we need better tools. We need human cells, but we need to find a way to keep them happy outside the body.

Our bodies are dynamic environments. We're in constant motion. Our cells experience that. They're in dynamic environments in our body. They're under constant mechanical forces. So if we want to make cells happy outside our bodies, we need to become cell architects. We need to design, build and engineer a home away from home for the cells.

And at the Wyss Institute, we've done just that. We call it an organ-on-a-chip. And I have one right here. It's beautiful, isn't it? But it's pretty incredible. Right here in my hand is a breathing, living human lung on a chip.

And it's not just beautiful. It can do a tremendous amount of things. We have living cells in that little chip, cells that are in a dynamic environment interacting with different cell types. There's been many people trying to grow cells in the lab. They've tried many different approaches. They've even tried to growlittle mini-organs in the lab. We're not trying to do that here. We're simply trying to recreate in this tiny chip the smallest functional unit that represents the biochemistry, the function and the mechanical strain that the cells experience in our bodies. So how does it work? Let me show you. We use techniques from the computer chip manufacturing industry to make these structures at a scale relevant to both the cells and their environment. We have three fluidic channels. In the center, we have a porous, flexible membrane on which we can add human cells from, say, our lungs, and then underneath, they had capillary cells, the cells in our blood vessels. And we can then apply mechanical forces to the chip that stretch and contract the membrane, so the cells experience the same mechanical forces that they did when we breathe. And they experience them how they did in the body. There's air flowing through the top channel, and then we flow a liquid that contains nutrients through the blood channel. Now the chip is really beautiful, but what can we do with it? We can get incredible functionality inside these little chips. Let me show you. We could, for example, mimic infection, where we add bacterial cells into the lung. then we can add human white blood cells. White blood cells are our body's defense against bacterial invaders, and when they sense thisinflammation due to infection, they will enter from the blood into the lung and engulf the bacteria. Well now you're going to see this happening live in an actual human lung on a chip. We've labeled the white blood cellsso you can see them flowing through, and when they detect that infection, they begin to stick. They stick, and then they try to go into the lung side from blood channel. And you can see here, we can actually visualize a single white blood cell. It sticks, it wiggles its way through between the cell layers, through the pore, comes out on the other side of the membrane, and right there, it's going to engulf the bacteria labeled in green. In that tiny chip, you just witnessed one of the most fundamental responses our body has to an infection. It's the way we respond to -- an immune response. It's pretty exciting.

Now I want to share this picture with you, not just because it's so beautiful, but because it tells us an enormousamount of information about what the cells are doing within the chips. It tells us that these cells from the small airways in our lungs, actually have these hairlike structures that you would expect to see in the lung. These structures are called cilia, and they actually move the mucus out of the lung. Yeah. Mucus. Yuck. But mucus is actually very important. Mucus traps particulates, viruses, potential allergens, and these little cilia move and clear the mucus out. When they get damaged, say, by cigarette smoke for example, they don't work properly, and they can't clear that mucus out. And that can lead to diseases such as bronchitis. Cilia and the clearance of mucus are also involved in awful diseases like cystic fibrosis. But now, with the functionalitythat we get in these chips, we can begin to look for potential new treatments.

We didn't stop with the lung on a chip. We have a gut on a chip. You can see one right here. And we've put intestinal human cells in a gut on a chip, and they're under constant peristaltic motion, this trickling flow through the cells, and we can mimic many of the functions that you actually would expect to see in the human intestine. Now we can begin to create models of diseases such as irritable bowel syndrome. This is a disease that affects a large number of individuals. It's really debilitating, and there aren't really many good treatments for it.

Now we have a whole pipeline of different organ chips that we are currently working on in our labs. Now, the true power of this technology, however, really comes from the fact that we can fluidically link them. There's fluid flowing across these cells, so we can begin to interconnect multiple different chips together to form what we call a virtual human on a chip. Now we're really getting excited. We're not going to ever recreatea whole human in these chips, but what our goal is is to be able to recreate sufficient functionality so that we can make better predictions of what's going to happen in humans. For example, now we can begin to explore what happens when we puta drug like an aerosol drug. Those of you like me who have asthma, when you take your inhaler, we can explore how that drug comes into your lungs, how it enters the body, how it might affect, say, your heart. Does it change the beating of your heart? Does it have a toxicity? Does it get cleared by the liver? Is it metabolized in the liver? Is it excreted in your kidneys? We can begin to study the dynamic response of the body to a drug.

This could really revolutionize and be a game changer for not only the pharmaceutical industry, but a whole host of different industries, including the cosmetics industry. We can potentially use the skin on a chip that we're currently developing in the lab to test whether the ingredients in those products that you're using are actuallysafe to put on your skin without the need for animal testing. We could test the safety of chemicals that we are exposed to on a daily basis in our environment, such as chemicals in regular household cleaners. We could also use the organs on chips for applications in bioterrorism or radiation exposure. We could use them to learn more about diseases such as ebola or other deadly diseases such as SARS.

Organs on chips could also change the way we do clinical trials in the future. Right now, the average participant in a clinical trial is that: average. Tends to be middle aged, tends to be female. You won't find many clinical trials in which children are involved, yet every day, we give children medications, and the only safety data we have on that drug is one that we obtained from adults. Children are not adults. They may not respond in the same way adults do. There are other things like genetic differences in populations that may lead to at-risk populations that are at risk of having an adverse drug reaction. Now imagine if we could take cellsfrom all those different populations, put them on chips, and create populations on a chip. This could really change the way we do clinical trials. And this is the team and the peoplethat are doing this. We have engineers, we have cell biologists, we have clinicians, all working together. We're really seeing something quite incredible at the Wyss Institute. It's really a convergence of disciplines, where biology is influencing the way we design, the way we engineer, the way we build. It's pretty exciting.

We're establishing important industry collaborations such as the one we have with a company that has expertise in large-scaledigital manufacturing. They're going to help us make, instead of one of these, millions of these chips, so that we can get them into the hands of as many researchers as possible. And this is key to the potential of that technology.

Now let me show you our instrument. This is an instrument that our engineers are actually prototyping right now in the lab, and this instrument is going to give us the engineering controls that we're going to require in order to link 10 or more organ chips together. It does something else that's very important. It creates an easy user interface. So a cell biologist like me can come in, take a chip, put it in a cartridge like the prototype you see there, put the cartridge into the machine just like you would a C.D., and away you go. Plug and play. Easy.

Now, let's imagine a little bit what the future might look like if I could take your stem cells and put them on a chip, or your stem cells and put them on a chip. It would be a personalized chip just for you.

Now all of us in here are individuals, and those individual differences mean that we could react very differently and sometimes in unpredictable ways to drugs. I myself, a couple of years back, had a really bad headache, just couldn't shake it, thought," Well, I'll try something different." I took some Advil. Fifteen minutes later, I was on my way to the emergency room with a full-blown asthma attack. Now, obviously it wasn't fatal, but unfortunately, some of these adverse drug reactions can be fatal.

So how do we prevent them? Well, we could imagine one day having Geraldine on a chip, having Danielle on a chip, having you on a chip.

Personalized medicine. Thank you.

(Applause)

今 私たちは世界的な保健医療問題を抱えています というのも 現在の― 新薬の研究・開発方法は コストも時間もかかりすぎる上 成功するより失敗の方が多い状況で とにかく うまく行っていないからです つまり 本当に必要とされている新しい治療法が 患者さんのもとに届けられず 病気がそのまま蔓延っている状態です 私たちは 以前にも増してお金を投資しているようですが 研究開発投資10億円あたりの 新薬承認数は減ってきています より多くのお金をかけて少ない薬を生み出す

どうなっているんでしょう? これには様々な原因があるわけですが 主要因の一つと思われるのが 新薬試験のためのツールです 薬がうまく機能するのか 効能があるのか 安全であるのかを 臨床試験前に確認するのですが それが うまく行っていません 人間に使ったときどうなるか予測できないのです 今 私たちが使えるツールは 主に2つで 細胞培養と動物実験です

まず 1つ目の細胞培養を見てみましょう 細胞は 私たちの体の中で機能するわけですが 元々あった環境から細胞だけを 取り出してきてこのようなシャーレに移し 元通りに機能させようとしても そう うまくはいきません 細胞は そんな環境好まないのです やっぱり 体の中とは 状況が違いますから

では 動物実験はどうでしょう? 動物は 実際に大変有益な情報を 与えてくれています 動物のお蔭で複雑な器官で どんなことが起こるのか分かります まさに生物学的なことを多く学べます でも しばしば 動物実験では特定の薬で治療をしたときに 人体に何が起こるのか分からないことがあります

ですから より良いツールが必要なのです 人間の細胞が必要ですが 体から取り出しても心地よい環境にできるような 方法を見つけないといけません

私たちの体は動的環境で 常に動いています 細胞も その影響を受けます 細胞は 私たちの体の動的環境の中で 常に機械的な力を受けているわけです ですから 体外で細胞にとって 心地よい環境を作るためには 私たちは 細胞建築家にならないといけません この細胞たちのために第二の故郷を 設計し 作ってあげるのです

ハーバード大学ヴィース研究所は そのことに成功しました それが「臓器チップ(organ-on-a-chip)」で こちらがそうです 美しいでしょう?本当にすごいんですよ 私が手にしているのはチップ上の人間の肺で まさに呼吸し 生きています

ただ美しいだけではないのです これによって本当にいろんなことができます あの小さなチップの上の生きた細胞は 動的な環境にあり 様々な種類の細胞と互いに作用し合っています 多くの人が 研究室で 細胞を育てる取組みをし 様々なアプローチが取られてきました 研究室で ミニ臓器を作るというものさえ ありました 私たちが考えているのは そういうことではなく この小さなチップに 最小機能単位を作りその中で 細胞が人体で影響を受ける 生化学 機能 力学的歪みも 再現しようというのです どう機能するのかお見せしましょう コンピュータチップ製造技術を使い これらの構造を 実際の細胞と環境に見合ったものにしています ここに 3つの流体チャネルがあります 真ん中が多孔質で柔軟性がある皮膜で ここに人間の細胞をのせます 例えば 肺ですね その下には毛細血管細胞― 血管にある細胞があります さらに チップには機械的な力を加えることができ 皮膜は伸びたり縮んだりします つまり 細胞には私たちが呼吸をしたときと同様の 機械的な力が加わり 私たちの体の中にいるのと同じような影響を受けます 上のチャネルには空気が流れ 血管のチャネルには栄養素を含む 液体を流します さて チップは素晴らしいですが これで何ができるのでしょうか? この小さなチップにはすごい機能性があるのです お見せしましょう 例えば 疑似感染をさせられます バクテリアを肺に流し込んで 人間の白血球も入れます すると 白血球はバクテリアの侵入に対して 防御機能がありますから 白血球は感染による炎症を感知すると 血管から肺に浸入して バクテリアを飲みこみます これを チップ上の人間の肺で 実際にご覧いただきましょう 白血球にマークをしていますので流れているのが分かるでしょう 今 感染を感知して 白血球は留まり始めました そして そこに留まって肺に入り込もうとし 血管から侵入します ご覧いただいた通り 1つの白血球の動きを実際に目で見られるのです 止まって 小刻みに動いて 細胞の層を通り穴を抜け 反対側の皮膜から出てきます そして 緑色にマークされたバクテリアを 動けなくします あの小さなチップで再現される― 感染に対する体の最も基本的な反応を ご覧いただきました これが免疫反応です 素晴らしいですね

次に お見せするのはこの写真です ただ美しいだけではなく 非常に多くの情報を教えてくれるもので チップ内での細胞の動きが分かります これらの細胞は 私たちの肺の細い気道から取ったものですが 実際の肺の中にもこの毛のようなものが生えています 繊毛と呼ばれるものですが 肺から粘液を排出する役割があります 粘液というと気持ち悪いですね でも 粘液はとても重要なもので 粘液が 微粒子やウイルス アレルゲンになりうるものを捉え これらの繊毛が動いて 粘液を外に出すのです 繊毛がもし損傷してしまうと 例えば 喫煙とかで― 繊毛は正しく機能せず粘液を外に出せなくなり 気管支炎などの病気になります 繊毛と 粘液排出機能は 嚢胞(のうほう)性線維症のような重大な病気とも関わりがありますね さて これらのチップで細胞が機能するようになったので 私たちは 新たな治療の可能性を 探り始めました

チップに肺を作っただけではありません 腸も作りました こちらが そうです 人間の腸細胞を 腸チップに入れ 絶えず蠕動運動を与えます 波のように細胞から細胞に伝わる運動です これによって人間の腸で起こりうる 多くの機能を再現できます これで病気のモデルも作れるようになりました 例えば 過敏性腸症候群 これは多くの人が患っていて 本当に体にこたえますが あまり良い治療法がないのが現状です

今 様々な器官のチップを つなげた一連の機構を 私たちの研究室で作っています 実は この技術の真の実力は これらのチップを 流体的に結び付けられることにあるのです 液体が これらの細胞に流れ さまざまな臓器チップを互いにつなげて チップ上に いわゆる仮想人体を作るのです 本当にうれしく思っています これらのチップで 人体の全てを再現するつもりはありません 私たちが目指すところは 人体でどんなことが起こるか 予測性を高めるために 十分な機能を再現することだからです 例えば 今 私たちはエアロゾル製剤などの薬を 入れたときに どうなるか調べられるようになりました 私のように喘息持ちの方が吸入具を使ったとき どのように薬が肺に入って行き 体に吸収されるのか心臓には どんな影響を与えるか調べられます 心臓の鼓動が変わるか? 毒性があるのか? 肝臓で解毒されるのか? 肝臓の中で代謝されるのか? 腎臓で排出されるのか? 体が薬にどう反応するか 動的に研究することができるのです

これはとても革命的で 世の中をひっくり返すようなものです 製薬会社だけではなく 化粧品業界を始めとする様々な産業にとって革命です 今 研究室で開発している皮膚チップを使えば 化粧品に使われている成分が 実際に皮膚に使っても安全か確認もできるでしょう それも動物実験なしにです 日々 私たちがさらされている化学物質が 安全かも検証できます 例えば 家庭用洗剤に含まれる化学物質などです 臓器チップがあれば バイオテロや放射線被ばくにも 応用ができます さらには エボラ出血熱や SARSなどの危険な病気について 多くを学ぶことができます

臓器チップによって 私たちの臨床試験のあり方も変わるでしょう 今 臨床試験の対象となるのは 平均的な患者です平均ですから つまり 中年や女性が対象となる傾向があります 臨床試験で あまり子どもは対象となりません 日々 子どもは薬を飲んでいるのに 唯一 その安全性を検証したデータは 大人のものというわけです 子どもは大人とは違います 大人と同じような反応をするとは限りません ほかにも遺伝学的な違いなどによって ある種の人は リスク集団に入り 薬の副作用が出る可能性も高くなるかもしれません ですからもし様々な人から細胞を取って チップに載せてチップの上で 様々な人口集団を再現できたとしたら これは 本当に 臨床試験を大きく変えるのです これが この取り組みをしているチームのみんなです エンジニアもいれば細胞生物学者も 臨床医もいて一緒に研究をしています ここ ヴィース研究所で素晴らしいことが起こりつつあります 様々な領域がここに収斂し 生物学がデザインや設計・制作をする方法に 影響を与えているのです 面白いことです

重要な産業間連携を打ち立てつつあるのです その一例として 私たちも 大規模デジタル製造専門の企業と連携しています これによって 一つではなく 何百万ものチップが作れ 出来るだけ多くの 研究者の手に渡せるようになります これこそ この技術の可能性を開くものです

ここで 私たちの機械をお見せしましょう こちらはエンジニアが 今 研究室でプロトタイプしているもので この機械を使えば 技術的に制御を行い 10以上の臓器チップをリンクできるようになるのです ほかにも重要な機能があります 簡単に使えるインターフェイスです 私のような細胞生物学者でも チップを取ってそれをカートリッジに入れ ちょうど このプロトタイプのように カートリッジをちょうど CDのように機械に挿入すれば 準備完了です つないでスイッチを入れるだけ簡単です

ちょっと想像してみてください あなたの幹細胞を取って チップに載せることで 将来 どんなことができるのか あなた専用のチップです

ここにいる私たちはそれぞれ違います こうした個人差は 薬に対して異なった反応― 時には予想もしない反応を引き起こします 私自身 2年ほど前にひどい頭痛があり どうしても治らず「何かしなくちゃ」と思い 鎮痛解熱剤を飲みましたすると15分後には 病院行きになりました ひどい喘息の発作を起こしたのです 私は 致命的ではありませんでしたが 残念ながらこうした薬の副作用は 時に致命的になります

どうやって それを防ぐのか? 私たちは いつの日か ジェラルディンさん専用のチップ ダニエルさん専用のチップそして あなたのチップを作り

その人専用の医療ができるかもしれません

ありがとうございました(拍手)

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品詞分類

  • 主語
  • 動詞
  • 助動詞
  • 準動詞
  • 関係詞等

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