Con strumenti provenienti da Silicon Valley, Quinton Smith costruisce organi prodotti in laboratorio.

Mentre faceva volontariato presso l'ospedale per bambini dell'Università del New Mexico ad Albuquerque, Quinton Smith si rese ben presto conto che non avrebbe mai potuto essere un medico.

Allora studente all'università, Smith era troppo triste nel vedere bambini malati tutto il tempo. Ma pensò, "forse posso aiutarli con la scienza".

Smith aveva scelto la sua specializzazione, l'ingegneria chimica, perché la vedeva come "un modo più cool per prepararsi alla scuola di medicina". Sebbene sia finito nel laboratorio invece di stare al capezzale, è rimasto appassionato nel trovare modi per curare ciò che affligge le persone.

Oggi, il suo laboratorio presso l'Università della California, Irvine utilizza strumenti spesso impiegati nella fabbricazione di minuscoli dispositivi elettronici per creare organi miniaturizzati coltivati in laboratorio che imitano i loro equivalenti reali. "La maggior parte del tempo, quando studiamo le cellule, le studiamo in una capsula di Petri", dice Smith. "Ma non è la loro forma nativa". Stimolare le cellule a formare queste strutture 3-D, chiamate organoidi, può fornire ai ricercatori un nuovo modo per studiare le malattie e testare potenziali trattamenti.

Unendo la tecnologia di Silicon Valley e la biologia delle cellule staminali, gli scienziati ora "stanno creando tessuti che sembrano e agiscono e funzionano come i tessuti umani", dice Smith. "E questo non è mai stato fatto prima".

Il lavoro di Smith è cominciato in due dimensioni. Durante i suoi studi universitari, ha passato due estati nel laboratorio del biomedico Sharon Gerecht, allora alla Johns Hopkins University. Il suo progetto mirava a sviluppare un dispositivo che potesse controllare l'afflusso di ossigeno e di fluidi all'interno di minuscole camere su wafer di silicio, con l'obiettivo di imitare l'ambiente in cui un vaso sanguigno si forma. Fu lì che Smith imparò ad apprezzare le cellule staminali pluripotenti indotte dall'uomo.

Queste cellule staminali si formano a partire da cellule corporee che vengono riprogrammate ad uno stadio embrionale primordiale che può dar luogo ad ogni tipo di cellula. "Mi ha solo fatto impazzire il fatto che si possano prendere queste cellule e trasformarle in qualsiasi cosa", dice Smith.

Smith è tornato in seguito al laboratorio di Gerecht per il suo dottorato di ricerca, esplorando come i segnali fisici e chimici possano spingere queste cellule staminali a diventare vasi sanguigni. Utilizzando una tecnica chiamata micropatterning - in cui i ricercatori timbrano proteine su lastre di vetro per aiutare le cellule ad attaccarsi - ha fatto sì che le cellule si organizzassero nei primi stadi di vasi sanguigni artificiali. A seconda del pattern, le cellule formavano stelle, cerchi o triangoli in 2-D, mostrando come le cellule si uniscano per formare tali strutture tubulari.

Mentre faceva il postdoc al MIT, è passato al 3-D, concentrando la sua attenzione sugli organoidi del fegato.

Come i vasi sanguigni che si ramificano, una rete di dotto biliari trasporta l'acido biliare in tutto il fegato. Questo fluido aiuta il corpo a digerire e assorbire i grassi. Ma i tessuti del fegato artificiali non ricreano sempre i dotti che si ramificano come nel corpo. Le cellule che crescono in laboratorio "hanno bisogno di un po' di aiuto", dice Smith.

Per ovviare ai problemi, Smith e il suo team versano un gel resistente intorno a minuscoli aghi di agopuntura per creare canali. Dopo che il gel si è solidificato, i ricercatori seminano le cellule staminali all'interno e le inondano di segnali chimici per indurle a formare dotti. "Possiamo creare dotti biliari su richiesta usando un approccio di ingegneria", afferma.

Tale approccio alla creazione di organoidi del fegato è possibile perché Smith parla la lingua della biologia e quella dell'ingegneria, dice la biomedica Sangeeta Bhatia, investigatore dell'Istituto Medico Howard Hughes al MIT e mentore postdoc di Smith. Può sfruttare la sua conoscenza della biologia cellulare e le tecniche di ingegneria per studiare come i vari tipi di cellule siano organizzati per lavorare insieme nel corpo.

Ad esempio, il laboratorio di Smith utilizza ora la stampa 3-D per assicurarsi che i tessuti del fegato coltivati in laboratorio, compresi i vasi sanguigni e i dotti biliari, si organizzino nel modo giusto. Tali tecniche di ingegneria potrebbero aiutare i ricercatori a studiare e individuare le cause alla base di alcune malattie del fegato, come la malattia del fegato grasso, dice Smith. Confrontare gli organoidi coltivati a partire da cellule di persone sane con quelli coltivati a partire da cellule di pazienti con malattie del fegato - inclusi i gruppi di persone con origine ispanica, che sono colpiti in modo sproporzionato - potrebbe individuare un meccanismo.

Ma Smith non si limita al fegato. Lui e i suoi allievi si stanno espandendo per esplorare altri tessuti e altre malattie.

Una di queste attività è la pre-eclampsia, una malattia che colpisce le donne in gravidanza, in particolare le donne afroamericane. Le donne con pre-eclampsia sviluppano una pressione sanguigna pericolosamente alta perché la placenta è infiammata e stringe i vasi sanguigni della madre. Smith intende analizzare le placente coltivate in laboratorio per determinare come i fattori ambientali come le forze fisiche e i segnali chimici dell'organo influiscano sui vasi sanguigni materni adiacenti.

“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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