Mit Werkzeugen aus dem Silicon Valley baut Quinton Smith im Labor hergestellte Organe.

Quinton Smith erkannte schnell, dass er während seiner Arbeit als Freiwilliger im Kinderkrankenhaus der University of New Mexico in Albuquerque niemals Arzt sein könnte.

Als damaliger Untergraduiertenstudent an der Universität war er zu traurig, ständig kranke Kinder zu sehen. Aber er dachte: "Vielleicht kann ich ihnen mit Wissenschaft helfen." 

Smith hatte sein Hauptfach, Chemieingenieurwesen, gewählt, weil er es als "einen cooleren Weg zur Vorbereitung auf die Medizin" sah. Obwohl er schließlich im Labor statt am Krankenbett landete, ist er leidenschaftlich darum bemüht, Wege zur Heilung von Menschen zu finden.

In seinem Labor an der University of California in Irvine verwendet er heute Werkzeuge, die oft bei der Herstellung winziger Elektronikbauteile Anwendung finden, um miniaturisierte, künstliche Organe herzustellen, die ihren realen Gegenstücken ähneln. "Die meiste Zeit, wenn wir Zellen studieren, studieren wir sie in einer Petrischale", sagt Smith. "Aber das ist nicht ihre natürliche Form." Durch das Anspornen von Zellen zur Bildung dieser 3D-Strukturen, genannt Organoiden, können Forscher eine neue Möglichkeit zur Untersuchung von Krankheiten und zur Testung potenzieller Behandlungen erhalten.

Indem sie Technologie aus dem Silicon Valley und Stammzellbiologie kombinieren, schaffen Wissenschaftler nun "Gewebe, die wie menschliche Gewebe aussehen und reagieren und funktionieren", sagt Smith. "Und das ist noch nie zuvor passiert."

Smiths Arbeit begann in zwei Dimensionen. Während seines Studiums verbrachte er zwei Sommer im Labor der Biomediziningenieurin Sharon Gerecht, damals an der Johns Hopkins University. Sein Projekt zielt darauf ab, ein Gerät zu entwickeln, das den Sauerstoff- und Flüssigkeitsfluss in winzigen Kammern auf Siliziumwafern kontrollieren kann, mit dem Ziel, die Umgebung nachzubilden, in der sich ein Blutgefäß bildet. Dort lernte Smith den respektvollen Umgang mit induzierten pluripotenten Stammzellen des Menschen kennen.

Diese Stammzellen entstehen aus Körperzellen, die in einen frühen embryonalen Zustand zurückprogrammiert werden können, der jede Zellart hervorbringen kann. "Es hat meinen Verstand einfach gesprengt, dass man diese Zellen nehmen kann und sie in alles Mögliche verwandeln kann", sagt Smith.

Smith kehrte schließlich für seinen Doktortitel in Gerechts Labor zurück und erforschte, wie physikalische und chemische Signale diese Stammzellen dazu bringen können, Blutgefäße zu werden. Durch eine Technik namens Mikropatterning – bei der Forscher Proteine auf Glasplatten stempeln, um Zellen beim Anheften zu helfen – motivierte er Zellen dazu, sich zu Anfängen von künstlichen Blutgefäßen zu organisieren. Je nach Muster formten die Zellen 2D-Sterne, Kreise oder Dreiecke und zeigten, wie Zellen zusammenkommen, um solche röhrenförmigen Strukturen zu bilden.

Als Postdoktorand am MIT wechselte er in die 3D-Forschung mit Fokus auf Leber-Organoide.

Wie verzweigte Blutgefäße tragen auch ein Netzwerk von Gallengängen Gallensäure durch die Leber. Diese Flüssigkeit hilft dem Körper bei der Verdauung und Absorption von Fett. Aber künstliches Lebergewebe bildet nicht immer Gänge nach, die sich so verzweigen wie im Körper. Die in Labor herangezogenen Zellen "brauchen ein wenig Hilfe", sagt Smith.

Um die Probleme zu umgehen, gießt Smith und sein Team ein steifes Gel um winzige Akupunkturnadeln, um Kanäle zu schaffen. Nachdem das Gel erstarrt ist, setzen die Forscher Stammzellen hinein und benetzen die Zellen mit chemischen Signalen, um sie dazu zu bringen, Gänge zu bilden. "Wir können auf Anfrage Gallengänge mit einem technischen Ansatz erstellen", sagt er.

Dieser Ansatz zur Herstellung von Leber-Organoiden ist möglich, weil Smith die Sprache der Biologie und die Sprache des Ingenieurwesens spricht, sagt die Biomedizin-Ingenieurin Sangeeta Bhatia, eine Howard-Hughes-Medizin-Institutsforscherin am MIT und Smiths Postdoktorantenmentorin. Er kann sein Wissen über Zellbiologie einsetzen und Ingenieurtechniken nutzen, um zu untersuchen, wie bestimmte Zelltypen im Körper zusammenarbeiten.

Zum Beispiel nutzt das Labor von Smith heute 3D-Druck, um sicherzustellen, dass Lebergewebe, einschließlich Blutgefäßen und Gallengängen, im Labor richtig organisiert sind. Solche Techniken könnten Forschern helfen, die Ursachen einiger Leberkrankheiten wie der Fettlebererkrankung zu untersuchen. Ein Vergleich von Organoiden, die aus Zellen von gesunden Menschen und solchen von Patienten mit Leberkrankheiten - einschließlich Hispanics, die überproportional betroffen sind - gezüchtet wurden, kann auf einen Mechanismus hinweisen.

Aber Smith beschränkt sich nicht auf die Leber. Er und seine Auszubildenden erkunden auch andere Gewebe und Krankheiten.

Eines dieser Bestrebungen ist die Präeklampsie, eine Krankheit, die schwangere Frauen betrifft und unverhältnismäßig schwarze Frauen betrifft. Frauen mit Präeklampsie entwickeln gefährlich hohen Blutdruck, weil die Plazenta entzündet ist und die Blutgefäße der Mutter einschnürt. Smith plant, künstliche Plazentas zu untersuchen, um zu bestimmen, wie Umweltfaktoren wie physikalische Kräfte und chemische Signale des Organs die daran befestigten mütterlichen Blutgefäße beeinflussen.

“We’re really excited about this work,” Smith says. It’s only recently that scientists have tricked stem cells to enter an earlier stage of development that can form placentas. These lab-grown placentas even produce human chorionic gonadotropin, the hormone responsible for positive pregnancy tests.

Yet another win for the power of stem cells.

Quinton Smith is one of this year’s SN 10: Scientists to Watch, our list of 10 early and mid-career scientists who are making extraordinary contributions to their field. We’ll be rolling out the full list throughout 2023.

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