Con herramientas de Silicon Valley, Quinton Smith construye órganos fabricados en laboratorio.

Mientras hacía trabajo voluntario en el Hospital Infantil de la Universidad de Nuevo México en Albuquerque, Quinton Smith se dio cuenta rápidamente de que nunca podría ser médico.

Entonces, como estudiante universitario, Smith estaba muy triste viendo a niños enfermos todo el tiempo. Pero pensó: "tal vez pueda ayudarlos con la ciencia".

Smith eligió su especialidad, ingeniería química, porque lo vio como "una forma más interesante de ser premed". Aunque finalmente terminó en el laboratorio en lugar de en la cabecera, ha mantenido una gran pasión por encontrar formas de curar lo que aqueja a las personas.

Hoy en día, su laboratorio en la Universidad de California, Irvine, utiliza herramientas que se emplean a menudo en la fabricación de pequeños aparatos electrónicos para crear órganos en miniatura cultivados en el laboratorio que imitan a sus contrapartes de la vida real. "La mayoría de las veces, cuando estudiamos células, las estudiamos en una placa de Petri", dice Smith. "Pero esa no es su forma natural". Alentar a las células para que se ensamblen en estas estructuras en 3D, llamadas organoides, puede dar a los investigadores una nueva forma de estudiar enfermedades y probar tratamientos potenciales.

Combinando la tecnología del Silicon Valley con la biología de células madre, los científicos están ahora "creando tejidos que se parecen y reaccionan y funcionan como los tejidos humanos", dice Smith. "Y eso no se había hecho antes".

El trabajo de Smith comenzó en dos dimensiones. Durante sus estudios universitarios, pasó dos veranos en el laboratorio de la ingeniera biomédica Sharon Gerecht, en la Universidad de Johns Hopkins. Su proyecto tenía como objetivo desarrollar un dispositivo que pudiera controlar el oxígeno y el flujo de líquidos dentro de cámaras minúsculas en obleas de silicio, con el objetivo de imitar el entorno en el que se forma un vaso sanguíneo. Fue allí donde Smith llegó a respetar las células madre pluripotentes inducidas humanas.

Estas células madre se forman a partir de células del cuerpo que se reprograman a una etapa temprana y embrionaria que puede dar lugar a cualquier tipo de célula. "Simplemente me impresionó que se pudieran tomar estas células y convertirlas en cualquier cosa", dice Smith.

Smith finalmente regresó al laboratorio de Gerecht para su doctorado, explorando cómo los estímulos físicos y químicos pueden impulsar a estas células madre a convertirse en vasos sanguíneos. Usando una técnica llamada micropattern, donde los investigadores estampan proteínas en diapositivas de vidrio para ayudar a que las células se adhieran, Smith estimuló a las células para que se organizaran en los inicios de vasos sanguíneos artificiales. Dependiendo del patrón, las células formaron estrellas, círculos o triángulos en 2D, demostrando cómo se unen las células para formar tales estructuras tubulares.

Mientras era becario postdoctoral en MIT, se trasladó al 3D, con un enfoque en organoides hepáticos.

Al igual que los vasos sanguíneos ramificados, una red de conductos biliares transporta el ácido biliar por todo el hígado. Este líquido ayuda al cuerpo a digerir y absorber grasas. Pero el tejido hepático artificial no siempre recrea los conductos que se ramifican de la manera en que lo hacen en el cuerpo. Las células que crecen en el laboratorio "necesitan un poco de ayuda", dice Smith. 

Para solventar los problemas, Smith y su equipo vierten un gel rígido alrededor de agujas de acupuntura minúsculas para crear canales. Después de que el gel se solidifica, los investigadores introducen células madre dentro del canal y las bañan en estímulos químicos para hacer que se formen conductos. "Podemos crear conductos biliares a pedido usando un enfoque de ingeniería", dice.

Este enfoque para hacer organoides hepáticos es posible porque Smith habla tanto el idioma de la biología como el de la ingeniería, dice la ingeniera biomédica Sangeeta Bhatia, investigadora del Instituto Médico Howard Hughes en MIT y mentora de postdoctorado de Smith. Puede llamar a su conocimiento de biología celular y aprovechar técnicas de ingeniería para estudiar cómo se organizan los tipos celulares específicos para trabajar juntos en el cuerpo.

Por ejemplo, el laboratorio de Smith ahora utiliza la impresión en 3D para asegurarse de que los tejidos hepáticos cultivados en el laboratorio, incluidos los vasos sanguíneos y los conductos biliares, se organicen correctamente. 
Estas técnicas de ingeniería podrían ayudar a los investigadores a estudiar y determinar las causas fundamentales de algunas enfermedades hepáticas, como la enfermedad del hígado graso, dice Smith. Comparar los organoides cultivados a partir de células de personas sanas con aquellos cultivados a partir de células de pacientes con enfermedad hepática, incluyendo a personas hispanas, que son desproporcionadamente afectadas, podría apuntar a un mecanismo.

Pero Smith no se está limitando solo al hígado. Él y sus alumnos están explorando otros tejidos y enfermedades también.

Una de esas investigaciones es la preeclampsia, una enfermedad que afecta a mujeres embarazadas y, en particular, a mujeres afroamericanas. Las mujeres con preeclampsia desarrollan una presión arterial peligrosamente alta porque la placenta está inflamada y constriñe los vasos sanguíneos de la madre. Smith planea examinar las placentas cultivadas en el laboratorio para determinar cómo los factores ambientales tales como las fuerzas físicas y las señales químicas del órgano impactan a los vasos sanguíneos maternos conectados.

“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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