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TEDxBoston

Geraldine Hamilton: Body parts on a chip

ジュラルディン・ハミルトン: 「臓器チップ」がもたらす未来

Filmed
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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)

- Bio researcher
Geraldine Hamilton builds organs and body parts on a chip -- to test new, custom cures. Full bio

We have a global health challenge
今 私たちは
世界的な保健医療問題を抱えています
00:12
in our hands today,
今 私たちは
世界的な保健医療問題を抱えています
00:14
and that is that the way we currently
というのも 現在の―
00:16
discover and develop new drugs
新薬の研究・開発方法は
00:19
is too costly, takes far too long,
コストも時間もかかりすぎる上
00:22
and it fails more often than it succeeds.
成功するより
失敗の方が多い状況で
00:26
It really just isn't working, and that means
とにかく うまく行っていないからです
00:30
that patients that badly need new therapies
つまり 本当に必要とされている
新しい治療法が
00:33
are not getting them,
患者さんのもとに
届けられず
00:36
and diseases are going untreated.
病気がそのまま
蔓延っている状態です
00:38
We seem to be spending more and more money.
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
00:41
So for every billion dollars we spend in R&D,
研究開発投資 一千億円あたりの
00:44
we're getting less drugs approved into the market.
新薬承認数は減ってきています
00:48
More money, less drugs. Hmm.
より多くのお金をかけて
少ない薬を生み出す
00:52
So what's going on here?
どうなっているんでしょう?
00:55
Well, there's a multitude of factors at play,
これには様々な原因があるわけですが
00:57
but I think one of the key factors
主要因の一つと思われるのが
01:00
is that the tools that we currently have
新薬試験のためのツールです
01:02
available to test whether a drug is going to work,
薬がうまく機能するのか
01:04
whether it has efficacy,
効能があるのか
01:08
or whether it's going to be safe
安全であるのかを
01:10
before we get it into human clinical trials,
臨床試験前に確認するのですが
01:12
are failing us. They're not predicting
それが うまく行っていません
01:15
what's going to happen in humans.
人間に使ったとき
どうなるか予測できないのです
01:17
And we have two main tools available
今 私たちが使えるツールは
01:21
at our disposal.
主に2つで
01:23
They are cells in dishes and animal testing.
細胞培養と動物実験です
01:25
Now let's talk about the first one, cells in dishes.
まず 1つ目の細胞培養を
見てみましょう
01:29
So, cells are happily functioning in our bodies.
細胞は 私たちの体の中で
機能するわけですが
01:33
We take them and rip them out
元々あった環境から
細胞だけを
01:36
of their native environment,
throw them in one of these dishes,
取り出してきて
このようなシャーレに移し
01:38
and expect them to work.
元通りに機能させようとしても
01:41
Guess what. They don't.
そう うまくはいきません
01:42
They don't like that environment
細胞は そんな環境
好まないのです
01:45
because it's nothing like
やっぱり 体の中とは
01:46
what they have in the body.
状況が違いますから
01:48
What about animal testing?
では 動物実験はどうでしょう?
01:51
Well, animals do and can provide
動物は 実際に
大変有益な情報を
01:53
extremely useful information.
与えてくれています
01:55
They teach us about what happens
動物のお蔭で
複雑な器官で
01:58
in the complex organism.
どんなことが起こるのか
分かります
01:59
We learn more about the biology itself.
まさに生物学的なことを多く学べます
02:02
However, more often than not,
でも しばしば
02:05
animal models fail to predict
what will happen in humans
動物実験では
特定の薬で治療をしたときに
02:08
when they're treated with a particular drug.
人体に何が起こるのか
分からないことがあります
02:12
So we need better tools.
ですから より良いツールが必要なのです
02:15
We need human cells,
人間の細胞が必要ですが
02:17
but we need to find a way to keep them happy
体から取り出しても
心地よい環境にできるような
02:19
outside the body.
方法を見つけないといけません
02:22
Our bodies are dynamic environments.
私たちの体は
動的環境で
02:24
We're in constant motion.
常に動いています
02:26
Our cells experience that.
細胞も その影響を受けます
02:28
They're in dynamic environments in our body.
細胞は 私たちの体の
動的環境の中で
02:31
They're under constant mechanical forces.
常に機械的な力を
受けているわけです
02:33
So if we want to make cells happy
ですから 体外で
細胞にとって
02:36
outside our bodies,
心地よい環境を作るためには
02:39
we need to become cell architects.
私たちは 細胞建築家に
ならないといけません
02:40
We need to design, build and engineer
この細胞たちのために
第二の故郷を
02:42
a home away from home for the cells.
設計し 作ってあげるのです
02:47
And at the Wyss Institute,
ハーバード大学ヴィース研究所は
02:50
we've done just that.
そのことに成功しました
02:52
We call it an organ-on-a-chip.
それが「臓器チップ(organ-on-a-chip)」で
02:54
And I have one right here.
こちらがそうです
02:57
It's beautiful, isn't it?
But it's pretty incredible.
美しいでしょう?
本当にすごいんですよ
02:58
Right here in my hand is a breathing, living
私が手にしているのは
チップ上の人間の肺で
03:01
human lung on a chip.
まさに呼吸し 生きています
03:06
And it's not just beautiful.
ただ美しいだけではないのです
03:08
It can do a tremendous amount of things.
これによって
本当にいろんなことができます
03:11
We have living cells in that little chip,
あの小さなチップの上の
生きた細胞は
03:13
cells that are in a dynamic environment
動的な環境にあり
03:17
interacting with different cell types.
様々な種類の細胞と
互いに作用し合っています
03:19
There's been many people
多くの人が 研究室で
03:22
trying to grow cells in the lab.
細胞を育てる取組みをし
03:24
They've tried many different approaches.
様々なアプローチが
取られてきました
03:26
They've even tried to grow
little mini-organs in the lab.
研究室で ミニ臓器を作る
というものさえ ありました
03:29
We're not trying to do that here.
私たちが考えているのは
03:32
We're simply trying to recreate
そういうことではなく
03:33
in this tiny chip
この小さなチップに
03:35
the smallest functional unit
最小機能単位を作り
その中で
03:37
that represents the biochemistry,
細胞が人体で影響を受ける
03:40
the function and the mechanical strain
生化学 機能 力学的歪みも
03:43
that the cells experience in our bodies.
再現しようというのです
03:46
So how does it work? Let me show you.
どう機能するのか
お見せしましょう
03:49
We use techniques from the computer chip
コンピュータチップ製造技術を使い
03:52
manufacturing industry
コンピュータチップ製造技術を使い
03:55
to make these structures at a scale
これらの構造を
03:56
relevant to both the cells and their environment.
実際の細胞と環境に
見合ったものにしています
03:59
We have three fluidic channels.
ここに 3つの流体チャネルがあります
04:02
In the center, we have a porous, flexible membrane
真ん中が
多孔質で柔軟性がある皮膜で
04:04
on which we can add human cells
ここに人間の細胞をのせます
04:07
from, say, our lungs,
例えば 肺ですね
04:09
and then underneath, they had capillary cells,
その下には
毛細血管細胞―
04:11
the cells in our blood vessels.
血管にある細胞があります
04:13
And we can then apply mechanical forces to the chip
さらに チップには
機械的な力を加えることができ
04:15
that stretch and contract the membrane,
皮膜は伸びたり縮んだりします
04:19
so the cells experience the same mechanical forces
つまり 細胞には
私たちが呼吸をしたときと同様の
04:22
that they did when we breathe.
機械的な力が加わり
04:25
And they experience them how they did in the body.
私たちの体の中にいるのと
同じような影響を受けます
04:28
There's air flowing through the top channel,
上のチャネルには
空気が流れ
04:31
and then we flow a liquid that contains nutrients
血管のチャネルには
栄養素を含む
04:34
through the blood channel.
液体を流します
04:37
Now the chip is really beautiful,
さて チップは素晴らしいですが
04:40
but what can we do with it?
これで何ができるのでしょうか?
04:42
We can get incredible functionality
この小さなチップには
すごい機能性があるのです
04:44
inside these little chips.
この小さなチップには
すごい機能性があるのです
04:47
Let me show you.
お見せしましょう
04:49
We could, for example, mimic infection,
例えば 疑似感染をさせられます
04:50
where we add bacterial cells into the lung.
バクテリアを肺に流し込んで
04:53
then we can add human white blood cells.
人間の白血球も入れます
04:56
White blood cells are our body's defense
すると 白血球は
バクテリアの侵入に対して
04:59
against bacterial invaders,
防御機能がありますから
05:02
and when they sense this
inflammation due to infection,
白血球は
感染による炎症を感知すると
05:03
they will enter from the blood into the lung
血管から肺に浸入して
05:06
and engulf the bacteria.
バクテリアを飲みこみます
05:09
Well now you're going to see this happening
これを チップ上の
人間の肺で
05:11
live in an actual human lung on a chip.
実際にご覧いただきましょう
05:13
We've labeled the white blood cells
so you can see them flowing through,
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
05:17
and when they detect that infection,
今 感染を感知して
05:20
they begin to stick.
白血球は留まり始めました
05:22
They stick, and then they try to go into the lung
そして そこに留まって
肺に入り込もうとし
05:24
side from blood channel.
血管から侵入します
05:28
And you can see here, we can actually visualize
ご覧いただいた通り
05:29
a single white blood cell.
1つの白血球の動きを
実際に目で見られるのです
05:33
It sticks, it wiggles its way through
止まって 小刻みに動いて
05:37
between the cell layers, through the pore,
細胞の層を通り
穴を抜け
05:39
comes out on the other side of the membrane,
反対側の皮膜から出てきます
05:41
and right there, it's going to engulf the bacteria
そして 緑色にマークされた
バクテリアを
05:44
labeled in green.
動けなくします
05:47
In that tiny chip, you just witnessed
あの小さなチップで再現される―
05:49
one of the most fundamental responses
感染に対する
体の最も基本的な反応を
05:52
our body has to an infection.
ご覧いただきました
05:55
It's the way we respond to -- an immune response.
これが免疫反応です
05:57
It's pretty exciting.
素晴らしいですね
06:01
Now I want to share this picture with you,
次に お見せするのは
この写真です
06:03
not just because it's so beautiful,
ただ美しいだけではなく
06:06
but because it tells us an enormous
amount of information
非常に多くの情報を
教えてくれるもので
06:08
about what the cells are doing within the chips.
チップ内での
細胞の動きが分かります
06:11
It tells us that these cells
これらの細胞は
06:14
from the small airways in our lungs,
私たちの肺の
細い気道から取ったものですが
06:16
actually have these hairlike structures
実際の肺の中にも
この毛のようなものが生えています
06:19
that you would expect to see in the lung.
実際の肺の中にも
この毛のようなものが生えています
06:20
These structures are called cilia,
繊毛と呼ばれるものですが
06:22
and they actually move the mucus out of the lung.
肺から粘液を
排出する役割があります
06:24
Yeah. Mucus. Yuck.
粘液というと気持ち悪いですね
06:27
But mucus is actually very important.
でも 粘液は
とても重要なもので
06:28
Mucus traps particulates, viruses,
粘液が 微粒子やウイルス
06:31
potential allergens,
アレルゲンになりうるものを捉え
06:33
and these little cilia move
これらの繊毛が動いて
06:35
and clear the mucus out.
粘液を外に出すのです
06:36
When they get damaged, say,
繊毛がもし損傷してしまうと
06:39
by cigarette smoke for example,
例えば 喫煙とかで―
06:41
they don't work properly,
and they can't clear that mucus out.
繊毛は正しく機能せず
粘液を外に出せなくなり
06:43
And that can lead to diseases such as bronchitis.
気管支炎などの
病気になります
06:46
Cilia and the clearance of mucus
繊毛と 粘液排出機能は
06:50
are also involved in awful diseases like cystic fibrosis.
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
06:52
But now, with the functionality
that we get in these chips,
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
06:57
we can begin to look
私たちは 新たな治療の可能性を
07:00
for potential new treatments.
探り始めました
07:02
We didn't stop with the lung on a chip.
チップに肺を作っただけ
ではありません
07:05
We have a gut on a chip.
腸も作りました
07:07
You can see one right here.
こちらが そうです
07:08
And we've put intestinal human cells
人間の腸細胞を
07:10
in a gut on a chip,
腸チップに入れ
07:14
and they're under constant peristaltic motion,
絶えず蠕動運動を与えます
07:16
this trickling flow through the cells,
波のように細胞から細胞に
伝わる運動です
07:18
and we can mimic many of the functions
これによって
人間の腸で起こりうる
07:22
that you actually would expect to see
多くの機能を再現できます
07:24
in the human intestine.
多くの機能を再現できます
07:26
Now we can begin to create models of diseases
これで病気のモデルも
作れるようになりました
07:28
such as irritable bowel syndrome.
例えば 過敏性腸症候群
07:32
This is a disease that affects
これは多くの人が患っていて
07:34
a large number of individuals.
これは多くの人が患っていて
07:36
It's really debilitating,
本当に体にこたえますが
07:38
and there aren't really many good treatments for it.
あまり良い治療法がないのが
現状です
07:40
Now we have a whole pipeline
今 様々な器官のチップを
07:44
of different organ chips
つなげた一連の機構を
07:46
that we are currently working on in our labs.
私たちの研究室で
作っています
07:49
Now, the true power of this technology, however,
実は この技術の
真の実力は
07:52
really comes from the fact
これらのチップを
07:56
that we can fluidically link them.
流体的に結び付けられることに
あるのです
07:58
There's fluid flowing across these cells,
液体が これらの細胞に流れ
08:00
so we can begin to interconnect
さまざまな臓器チップを
互いにつなげて
08:02
multiple different chips together
さまざまな臓器チップを
互いにつなげて
08:04
to form what we call a virtual human on a chip.
チップ上に いわゆる
仮想人体を作るのです
08:07
Now we're really getting excited.
本当にうれしく思っています
08:12
We're not going to ever recreate
a whole human in these chips,
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
08:15
but what our goal is is to be able to recreate
私たちが目指すところは
08:19
sufficient functionality
人体でどんなことが起こるか
08:23
so that we can make better predictions
予測性を高めるために
08:25
of what's going to happen in humans.
十分な機能を再現することだからです
08:27
For example, now we can begin to explore
例えば 今 私たちは
エアロゾル製剤などの薬を
08:29
what happens when we put
a drug like an aerosol drug.
入れたときに どうなるか
調べられるようになりました
08:32
Those of you like me who have asthma,
when you take your inhaler,
私のように喘息持ちの方が
吸入具を使ったとき
08:36
we can explore how that drug comes into your lungs,
どのように薬が
肺に入って行き
08:39
how it enters the body,
体に吸収されるのか
心臓には
08:42
how it might affect, say, your heart.
どんな影響を与えるか
調べられます
08:43
Does it change the beating of your heart?
心臓の鼓動が変わるか?
08:45
Does it have a toxicity?
毒性があるのか?
08:47
Does it get cleared by the liver?
肝臓で解毒されるのか?
08:49
Is it metabolized in the liver?
肝臓の中で代謝されるのか?
08:51
Is it excreted in your kidneys?
腎臓で排出されるのか?
08:53
We can begin to study the dynamic
体が薬にどう反応するか
08:55
response of the body to a drug.
動的に研究することができるのです
08:57
This could really revolutionize
これはとても革命的で
09:00
and be a game changer
世の中をひっくり返すようなものです
09:01
for not only the pharmaceutical industry,
製薬会社だけではなく
09:03
but a whole host of different industries,
化粧品業界を始めとする
様々な産業にとって革命です
09:06
including the cosmetics industry.
化粧品業界を始めとする
様々な産業にとって革命です
09:08
We can potentially use the skin on a chip
今 研究室で
開発している皮膚チップを使えば
09:11
that we're currently developing in the lab
今 研究室で
開発している皮膚チップを使えば
09:14
to test whether the ingredients in those products
化粧品に使われている成分が
09:16
that you're using are actually
safe to put on your skin
実際に皮膚に使っても
安全か確認もできるでしょう
09:18
without the need for animal testing.
それも動物実験なしにです
09:21
We could test the safety
日々 私たちが
さらされている化学物質が
09:24
of chemicals that we are exposed to
日々 私たちが
さらされている化学物質が
09:26
on a daily basis in our environment,
安全かも検証できます
09:28
such as chemicals in regular household cleaners.
例えば 家庭用洗剤に含まれる
化学物質などです
09:30
We could also use the organs on chips
臓器チップがあれば
09:34
for applications in bioterrorism
バイオテロや放射線被ばくにも
09:37
or radiation exposure.
応用ができます
09:40
We could use them to learn more about
さらには エボラ出血熱や
09:43
diseases such as ebola
SARSなどの危険な病気について
09:46
or other deadly diseases such as SARS.
多くを学ぶことができます
09:49
Organs on chips could also change
臓器チップによって
09:53
the way we do clinical trials in the future.
私たちの臨床試験のあり方も
変わるでしょう
09:55
Right now, the average participant
今 臨床試験の対象となるのは
09:58
in a clinical trial is that: average.
平均的な患者です
平均ですから
10:01
Tends to be middle aged, tends to be female.
つまり 中年や女性が
対象となる傾向があります
10:04
You won't find many clinical trials
臨床試験で あまり子どもは
対象となりません
10:07
in which children are involved,
臨床試験で あまり子どもは
対象となりません
10:10
yet every day, we give children medications,
日々 子どもは
薬を飲んでいるのに
10:11
and the only safety data we have on that drug
唯一 その安全性を検証したデータは
10:15
is one that we obtained from adults.
大人のものというわけです
10:19
Children are not adults.
子どもは
大人とは違います
10:22
They may not respond in the same way adults do.
大人と同じような
反応をするとは限りません
10:23
There are other things like genetic differences
ほかにも
遺伝学的な違いなどによって
10:27
in populations
ほかにも
遺伝学的な違いなどによって
10:29
that may lead to at-risk populations
ある種の人は リスク集団に入り
10:30
that are at risk of having an adverse drug reaction.
薬の副作用が出る可能性も
高くなるかもしれません
10:34
Now imagine if we could take cells
from all those different populations,
ですから
もし様々な人から細胞を取って
10:37
put them on chips,
チップに載せて
チップの上で
10:40
and create populations on a chip.
様々な人口集団を
再現できたとしたら
10:42
This could really change the way
これは 本当に
10:44
we do clinical trials.
臨床試験を大きく変えるのです
10:46
And this is the team and the people
that are doing this.
これが この取り組みをしている
チームのみんなです
10:48
We have engineers, we have cell biologists,
エンジニアもいれば
細胞生物学者も
10:51
we have clinicians, all working together.
臨床医もいて
一緒に研究をしています
10:54
We're really seeing something quite incredible
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
10:58
at the Wyss Institute.
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
11:00
It's really a convergence of disciplines,
様々な領域がここに収斂し
11:02
where biology is influencing the way we design,
生物学が
デザインや設計・制作をする方法に
11:04
the way we engineer, the way we build.
影響を与えているのです
11:07
It's pretty exciting.
面白いことです
11:10
We're establishing important industry collaborations
重要な産業間連携を
打ち立てつつあるのです
11:12
such as the one we have with a company
その一例として 私たちも
11:15
that has expertise in large-scale
digital manufacturing.
大規模デジタル製造専門の
企業と連携しています
11:18
They're going to help us make,
これによって
11:22
instead of one of these,
一つではなく
11:24
millions of these chips,
何百万ものチップが作れ
11:26
so that we can get them into the hands
出来るだけ多くの
11:27
of as many researchers as possible.
研究者の手に渡せるようになります
11:29
And this is key to the potential of that technology.
これこそ この技術の可能性を
開くものです
11:32
Now let me show you our instrument.
ここで 私たちの機械をお見せしましょう
11:36
This is an instrument that our engineers
こちらは
エンジニアが
11:39
are actually prototyping right now in the lab,
今 研究室で
プロトタイプしているもので
11:41
and this instrument is going to give us
この機械を使えば
11:43
the engineering controls that we're going to require
技術的に制御を行い
11:45
in order to link 10 or more organ chips together.
10以上の臓器チップを
リンクできるようになるのです
11:48
It does something else that's very important.
ほかにも重要な機能があります
11:52
It creates an easy user interface.
簡単に使えるインターフェイスです
11:54
So a cell biologist like me can come in,
私のような細胞生物学者でも
11:57
take a chip, put it in a cartridge
チップを取って
それをカートリッジに入れ
12:00
like the prototype you see there,
ちょうど このプロトタイプのように
12:02
put the cartridge into the machine
カートリッジをちょうど
12:04
just like you would a C.D.,
CDのように機械に挿入すれば
12:06
and away you go.
準備完了です
12:08
Plug and play. Easy.
つないでスイッチを入れるだけ
簡単です
12:09
Now, let's imagine a little bit
ちょっと想像してみてください
12:12
what the future might look like
あなたの幹細胞を取って
12:14
if I could take your stem cells
あなたの幹細胞を取って
12:15
and put them on a chip,
チップに載せることで
12:18
or your stem cells and put them on a chip.
将来 どんなことができるのか
12:19
It would be a personalized chip just for you.
あなた専用のチップです
12:22
Now all of us in here are individuals,
ここにいる私たちは
それぞれ違います
12:26
and those individual differences mean
こうした個人差は
12:29
that we could react very differently
薬に対して
異なった反応―
12:32
and sometimes in unpredictable ways to drugs.
時には予想もしない反応を
引き起こします
12:34
I myself, a couple of years back,
had a really bad headache,
私自身 2年ほど前に
ひどい頭痛があり
12:39
just couldn't shake it, thought,
"Well, I'll try something different."
どうしても治らず
「何かしなくちゃ」と思い
12:43
I took some Advil. Fifteen minutes later,
鎮痛解熱剤を飲みました
すると15分後には
12:46
I was on my way to the emergency room
病院行きになりました
12:48
with a full-blown asthma attack.
ひどい喘息の発作を起こしたのです
12:50
Now, obviously it wasn't fatal,
私は 致命的ではありませんでしたが
12:52
but unfortunately, some of these
残念ながら
こうした薬の副作用は
12:53
adverse drug reactions can be fatal.
時に致命的になります
12:57
So how do we prevent them?
どうやって それを防ぐのか?
13:00
Well, we could imagine one day
私たちは いつの日か
13:02
having Geraldine on a chip,
ジェラルディンさん専用のチップ
13:05
having Danielle on a chip,
ダニエルさん専用のチップ
そして
13:07
having you on a chip.
あなたのチップを作り
13:09
Personalized medicine. Thank you.
その人専用の医療が
できるかもしれません
13:10
(Applause)
ありがとうございました
(拍手)
13:13
Translated by Yuko Yoshida
Reviewed by Tomoyuki Suzuki

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About the speaker:

Geraldine Hamilton - Bio researcher
Geraldine Hamilton builds organs and body parts on a chip -- to test new, custom cures.

Why you should listen

Geraldine Hamilton’s career spans from academic research to biotech start-ups to pharma. Her research focus has been on the development and application of human-relevant in-vitro models for drug discovery. She was one of the founding scientists, VP of Scientific Operations and Director of Cell Products, in a start-up biotech company (CellzDirect), that successfully translated and commercialized technology from academic research to supply the pharmaceutical industry with hepatic cell products and services for safety assessment and drug-metabolism studies.

Hamilton received her Ph.D. in cell biology/toxicology from the University of Hertfordshire (England) in conjunction with GlaxoSmithkline, followed by a post-doctoral research fellowship at the University of North Carolina. Her current research interests and prior experience include: organs on-a-chip, toxicology and drug metabolism, liver cell biology, mechanisms regulating gene expression and differentiation, regulation of nuclear receptors and transcriptional activation in hepatocytes by xenobiotics, human cell isolation and cryopreservation techniques.

More profile about the speaker
Geraldine Hamilton | Speaker | TED.com