Avec des outils de la Silicon Valley, Quinton Smith construit des organes fabriqués en laboratoire.

Pendant son bénévolat à l'Hôpital pour enfants de l'Université du Nouveau-Mexique à Albuquerque, Quinton Smith a rapidement réalisé qu'il ne pourrait jamais devenir médecin.

En tant qu'étudiant de premier cycle à l'université, Smith était trop triste de voir des enfants malades tout le temps. Mais, il a pensé, « peut-être que je peux les aider avec la science. »

Smith avait choisi sa majeure, le génie chimique, car il le voyait comme « une manière plus cool de faire de la préparation médicale ». Bien qu'il soit finalement tombé dans le laboratoire au lieu du chevet, il est resté passionné de trouver des moyens de guérir ce qui affecte les gens.

Aujourd'hui, son laboratoire à l'Université de Californie à Irvine utilise des outils souvent utilisés dans la fabrication de petits appareils électroniques pour créer des organes miniatures cultivés en laboratoire qui imitent leurs homologues de la vie réelle. « La plupart du temps, quand nous étudions des cellules, nous les étudions dans une boîte de Pétri », dit Smith. « Mais ce n'est pas leur forme naturelle. » Inciter les cellules à être assemblées en ces structures en 3D, appelées organoïdes, peut donner aux chercheurs une nouvelle façon d'étudier les maladies et de tester les traitements potentiels.

En combinant la technologie de la Silicon Valley et la biologie des cellules souches, les scientifiques créent désormais « des tissus qui ressemblent, réagissent et fonctionnent comme des tissus humains », dit Smith. « Et cela n'a jamais été fait auparavant. »

Le travail de Smith a commencé en deux dimensions. Au cours de ses études de premier cycle, il a passé deux étés dans le laboratoire de l'ingénieur biomédical Sharon Gerecht, alors à l'Université Johns Hopkins. Son projet visait à développer un dispositif qui pourrait contrôler l'oxygène et le flux de liquide à l'intérieur de minuscules chambres sur des plaquettes de silicium, dans le but de reproduire l'environnement dans lequel un vaisseau sanguin se forme. C'est là que Smith a commencé à apprécier les cellules souches pluripotentes induites humaines.

Ces cellules souches sont formées à partir de cellules corporelles qui ont été reprogrammées à un stade embryonnaire précoce pouvant donner naissance à n'importe quel type de cellule. « Cela m'a complètement soufflé que vous pouvez prendre ces cellules et les transformer en n'importe quoi », dit Smith.

Smith est finalement revenu au laboratoire de Gerecht pour son doctorat, explorant comment les signaux physiques et chimiques peuvent pousser ces cellules souches à devenir des vaisseaux sanguins. À l'aide d'une technique appelée micropattern, où les chercheurs tamponnent des protéines sur des lames de verre pour aider les cellules à s'attacher, il a incité les cellules à s'organiser en débuts de vaisseaux sanguins artificiels. Selon le motif, les cellules ont formé des étoiles, des cercles ou des triangles en 2D, montrant comment les cellules se regroupent pour former de telles structures tubulaires.

Alors qu'il était postdoctoral au MIT, il est passée à la 3D, en se concentrant sur les organoïdes du foie.

Tout comme le réseau de vaisseaux sanguins, un réseau de canaux biliaires transporte l'acide biliaire dans le foie. Ce fluide aide le corps à digérer et à absorber les graisses. Mais le tissu hépatique artificiel ne recrée pas toujours des canaux qui se ramifient comme ils le font dans le corps. Les cellules en croissance dans le laboratoire « ont besoin d'un peu d'aide », dit Smith. 

Pour contourner les problèmes, Smith et son équipe versent un gel rigide autour de minuscules aiguilles d'acupuncture pour créer des canaux. Après que le gel se solidifie, les chercheurs sèment des cellules souches à l'intérieur et arrosent les cellules de signaux chimiques pour les inciter à former des canaux. « Nous pouvons créer des canaux biliaires à la demande en utilisant une approche d'ingénierie », dit-il.

Cette approche de création d'organoïdes hépatiques est possible parce que Smith parle la langue de la biologie et la langue de l'ingénierie, dit l'ingénieur biomédical Sangeeta Bhatia, chercheur de l'Institut médical Howard Hughes au MIT et mentor postdoctoral de Smith. Il peut faire appel à ses connaissances en biologie cellulaire et à des techniques d'ingénierie pour étudier comment des types de cellules spécifiques sont organisés pour travailler ensemble dans le corps.

Par exemple, le laboratoire de Smith utilise maintenant l'impression 3D pour s'assurer que les tissus hépatiques cultivés en laboratoire, y compris les vaisseaux sanguins et les canaux biliaires, s'organisent correctement. De telles techniques d'ingénierie pourraient aider les chercheurs à étudier et à cibler les causes profondes de certaines maladies hépatiques, telles que la stéatose hépatique, dit Smith. Comparer les organoïdes cultivés à partir de cellules de personnes en bonne santé à ceux cultivés à partir de cellules de patients atteints de maladies hépatiques — notamment les Hispaniques, qui sont affectés de manière disproportionnée — peut aider à identifier les mécanismes.

Mais Smith ne se limite pas au foie. Lui et ses stagiaires explorent également d'autres tissus et maladies.

Une de ces recherches concerne la prééclampsie, une maladie qui affecte les femmes enceintes, et en particulier les femmes africaines-américaines. Les femmes atteintes de prééclampsie développent une tension artérielle dangereusement élevée car le placenta est enflammé et rétrécissant les vaisseaux sanguins de la mère. Smith prévoit d'examiner des placentas cultivés en laboratoire pour déterminer comment les facteurs environnementaux tels que les forces physiques et les signaux chimiques de l'organe impactent les vaisseaux sanguins maternels attachés.

“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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