Vai direttamente ai contenuti

Copertina della rivista

Immagine: Sala operatoria

 

Cellule staminali: presente e futuro

Raramente nella storia della scienza biomedica si è verificata una vicenda così ricca di colpi di scena e di polemiche come quella delle cellule staminali, con una progressiva accelerazione negli ultimi 10 anni.
Vogliamo tratteggiarne qui le basi teoriche e gli sviluppi pratici.





Fin dagli inizi della storia della biologia si era ovviamente postulata l’esistenza di cellule primitive dell’organismo (come le cellule germinali), capaci di dare origine ad un organismo completo con tutti i suoi organi e sistemi.

Fu però soltanto la scoperta negli anni ’60 che nel midollo osseo di topi sottoposti ad irradiazione letale esistevano cellule capaci di rigenerare tutti gli elementi figurati del sangue (globuli rossi e bianchi, piastrine e lifociti), assicurando così il salvataggio degli animali altrimenti condannati, che si potè, per così dire, identificare un set ben definito di cellule staminali, a cui fu assegnato il nome di “cellule staminali emopoietiche”.

Ragazza che dormeSi vide poi che tali cellule erano presenti anche nel midollo osseo umano, e partirono quindi i primi “trapianti midollari” che tante vite dovevano salvare: si trattava del primo intervento terapeutico “ studiato” a base di cellule staminali. * Apparve però subito evidente come vi fossero diverse fonti di cellule staminali, dotate a loro volta di proprietà ben differenti e quindi con diverse possibilità di utilizzo. Vediamo quindi brevemente quali sono i principali tipi.

1) Anzitutto vi sono le cellule della cosiddetta linea germinale, maschile e femminile, rispettivamente spermatogoni ed oociti, che però già differiscono fra di loro in quanto i primi vengono prodotti nei mammiferi in pratica per tutta la durata della vita, mentre i secondi (gli oociti) vengono prodotti in un numero finito dopo la nascita e non oltre tale epoca (nonostante qualche recente osservazione al contrario nel topo).

2) Vi sono poi le cellule staminali embrionali, che prendono origine dalla massa interna di una primissima formazione embrionale, la blastocisti, che si forma 5-6 giorni dopo la fertilizzazione (vedi fig. 1). Le cellule della blastocisti, chiamate cellule ES, sono le vere candidate per la formazione di ogni tipo di cellula dell'organismo ed in effetti si sono ottenute linee cellulari permanenti, murine ed anche umane, nelle quali non solo si mantengono per infiniti passaggi le medesime caratteristiche biologiche, ma dalle quali è possibile ottenere, mediante aggiunta di particolari fattori stimolanti, cellule differenziate di vario tipo.

3) Vi sono poi un grandissimo numero di cellule staminali commissionate, vale a dire capaci, o che si ritenevano capaci, di originare un solo tipo di organo o tessuto maturo, ad es. globuli del sangue, neuroni, cellule muscolari, ecc. In realtà si è assistito in anni recenti, alla dimostrazione che molte di queste cellule, dette “somatiche” per distinguerle dalle cellule embrionali, possiedono la capacità, grazie ad opportuna stimolazione, di dare origine a cellule e tessuti del tutto differenti da quelle che si presupponevano specifiche per quel dato tipo di “percorso”. Si sono viste ad esempio cellule staminali emopoietiche dare origine a cellule mature di tipo muscolare o addirittura del sistema nervoso, fenomeni che vennero battezzati di “trans-differenziazione” per indicare appunto la proprietà di saltare da un cammino differenziativo ad un altro. E' chiaro come tale scoperta abbia non solo scosso le stesse fondamenta delle nostre conoscenze in merito, ma, come vedremo, abbia posto le basi per una vivace controversia circa le possibili applicazioni delle cellule staminali umane.

4) Fra le cellule staminali somatiche occupano un posto particolare le cellule del cordone ombelicale, che si possono appunto raccogliere al momento della nascita e che sono presenti in gran numero in tale sede. Questi elementi si sono dimostrati anzitutto assai efficienti come progenitori emopoietici e quindi di possibile impiego nei trapianti per malattie del sangue, ma sembrano suscettibili di trasformazione anche in altri tipi cellulari, per quei fenomeni di trans-differenziazione prima accennati: si è giunti pertanto a fondare delle Banche di cellule staminali di sangue ombelicale, che vengono conservate per un eventuale impiego sia nel soggetto stesso di origine, sia anche per soggetti differenti che si dimostrino compatibili in base ai test immunologici.

Un interessante sviluppo si è poi avuto recentemente in laboratori del nostro paese con la separazione di cellule staminali placentari, ottenute anche queste alla nascita e che sembrano suscettibili di trasformazione, anche loro, in una serie di altri tipi cellulari. Come si vede, abbiamo una vasta gamma di cellule staminali, sulle quali si è esercitato l’ingegno dei ricercatori per i loro possibili impieghi terapeutici. (Non possiamo qui prendere in considerazione le cosiddette “cellule staminali tumorali” che sembrano capaci di riprodurre e mantenere in permanenza il tessuto maligno di certe neoplasie: è chiaro come esse presentino solo un interesse di studio).


Trapianti di cellule staminali emopoietiche

Consolidati
1) emopatie maligne (leucemie, linfomi, ecc.)
2) Malattie congenite da deficit immunitario
3) Anemie aplastiche
4) Talassemie ed anemia a cellule falciformi

Sperimentali
1) Malattie auto-immuni (lupus sistemico, sclerodermia, ecc.)
2) Osteopetrosi congenita
3) Trapianti “in utero” per gravi sindromi genetiche
4) Terapia anti-neoplastica: trapianto-contro-tumore
5) Tentativi di terapia genica (mediante cellule staminali munite di geni appropriati)

Di speciale interesse è il trapianto in utero, reso possibile dai progressi nella diagnosi pre-natale, che viene prospettato per casi di malattie congenite, nei quali le cellule da donatore abbiano un vantaggio indiscutibile sulle cellule fetali (ad es. nella sindrome da severa immuno-deficienza combinata, o SCID); già sperimentato anche in casi di “osteogenesi imperfetta”.


* Solo a titolo di curiosità si possono citare tentativi di trapianto di tessuti, come quelli con lembi di cute umana, praticati in tempi più lontani: vedi il famoso episodio descritto da Winston Churchill, che nel 1898, durante operazioni belliche nel Sudan, fu indotto a donare un frammento di cute ad un altro Ufficiale rimasto ferito; il trapianto ebbe successo e l’illustre donatore definiva la relativa cicatrice come il più nobile souvenir della sua vita…


Applicazioni terapeutiche

Tra le applicazioni delle cellule staminali in ambito medico bisogna anzitutto distinguere le forme di trattamento ormai consolidate dai tentativi o semplicemente dalle semplici congetture che si sono moltiplicate negli anni recenti, creando imbarazzanti e spesso non giustificate attese. Tra le modalità ormai entrate nell’uso un posto principe è occupato dai trapianti di cellule staminali emopoietiche, che vengono utilizzati per una varietà di forme morbose, anche non ematologiche, e per i quali è ormai disponibile un’ampia casistica ben documentata. In questo caso occorre ovviamente superare la barriera di isto-compatibilità, vale a dire la struttura antigenica di ciascun individuo, barriera che, insuperabile fra individui non correlati fra di loro, tende a minor chiusura man mano che aumenta la somiglianza immunologica fra donatore e ricevente, ad es. fra consanguinei di primo grado: il trapianto con massima capacità di attecchimento è ovviamente fra gemelli identici.

Tuttavia è in notevole aumento la frequenza di trapianti fra individui non consanguinei grazie alla istituzione di Registri Internazionali nei quali si raccolgono i dati immunologici di potenziali donatori volontari: può quindi capitare che, per fortunata circostanza, un paziente trovi un donatore compatibile in un Paese lontano.

Le fonti di cellule staminali di questo tipo sono sostanzialmente tre: il midollo osseo, il sangue periferico e, in misura crescente, le cellule del cordone ombelicale. In tutti questi casi le cellule staminali sono una esigua minoranza in mezzo alle cellule più mature e devono pertanto essere selezionate e concentrate in modo da poter disporre di un numero sufficiente di staminali stesse: ecco quindi la necessità di un “arricchimento” del materiale di partenza: ciò si ottiene mediante metodiche sofisticate (ad es. separazione magnetica oppure per fluorescenza) assai utili per una buona raccolta. Un ulteriore aiuto si può poi ottenere amplificando in vitro, per qualche giorno di coltura, il compartimento staminale mediante aggiunta di fattori stimolanti la proliferazione: tale metodica è particolarmente usata per il sangue ombelicale, che ovviamente è disponibile in modesta quantità, ma che può essere ampiamente arricchito di cellule staminali con questa metodica e quindi successivamente impiegato per il trapianto. Numerose sono le patologie nelle quali si usano i trapianti emopoietici (vedi tabella 1).

Per brevità, ricordiamo soltanto come i risultati nel primo gruppo siano assai confortanti, (ad esempio percentuali elevate di sopravvivenza dopo 5 anni nei casi di leucemie acute e mieloide cronica) mentre per il secondo gruppo le opinioni non siano uniformi. Nello specifico, la terapia genica richiede una particolare cautela, per la possibilità di provocare effetti indesiderati.


Cellule staminali neurali

Anche in questo campo vi è un crescente fervore di attività da quando si sono scoperti i mezzi per selezionare, amplificare e differenziare le cellule staminali neurali, ottenute da fonti diverse sia embrionali, come le cellule ES prima citate, sia da tessuti adulti come alcune zone cerebrali ove esse si annidano di preferenza. Lavorando su queste basi (e ricordiamo il notevole contributo di vari ricercatori dell’Università di Milano) si sono sperimentati gli effetti della somministrazione di tali cellule in modelli murini: una interessante osservazione ha rilevato, fra l’altro, l’importanza dei contatti fra cellula e cellula, poiché la semplice immissione di cellule esogene è capace di promuovere la proliferazione spontanea di cellule “endogene” in riposo, moltiplicando così l’azione riparatrice di strutture alterate.

Ciò si è visto ad esempio in modelli animali di una malattia come la Sclerosi Laterale Amiotrofica, (il famoso morbo di Gehrig degli atleti) nella quale si è osservata una ripresa del numero dei neuroni motori funzionanti. La ricerca si dirige in direzione di molte malattie nervose invalidanti, come la Sclerosi multipla (S.M.), nella quale l’iniezione di cellule staminali embrionali in modelli di encefalomielite autoimmune del topo, un modello tipico di S.M., provoca un aumento di quelle cellule deputate alla produzione di mielina, la guaina protettiva dei neuroni e che viene a mancare in questa malattia, con i gravissimi sintomi che ne conseguono.

Di grande interesse anche le ricerche nel morbo di Parkinson, caratterizzato da mancanza di una sostanza, la dopamina, nei neuroni di certe strutture specifiche e che si manifesta con i noti sintomi di rigidità, tremore e instabilità posturale: già da vari anni si sono compiuti tentativi terapeutici anche su pazienti mediante immissione di cellule contenenti dopamina ottenute da cervelli fetali, con risultati contrastanti.

Più recentemente ci si è orientati su cellule embrionali (ed anche di midollo osseo), da cui per differenziazione in vitro si possono derivare elementi dopaminergici che vengono trapiantati in modelli sperimentali di morbo di Parkinson: risultati incoraggianti provengono, ad es., dai laboratori del Karolinska Institute di Stoccolma.

Un caso speciale di uso di cellule differenziate derivanti da cellule embrionali è quello delle cellule retiniche, proposte per il trattamento di una gravissima malattia dell’occhio, la “degenerazione maculare” e che sembrano avere il previlegio di non provocare fenomeni di rigetto.

Evoluzione dell’embrione fertilizzato nei primi 5-6 giorni
Figura 1:
Evoluzione dell’embrione fertilizzato nei primi 5-6 giorni:
il pacchetto cellulare in basso, la blastocisti, è destinato a svilupparsi in un individuo completo, mentre le cellule di contorno, “trofoblasti”, formano il sostegno dell’embrione.
(da: Eridani, Sgaramella e Cova, CYTOTECHNOLOGY, 2004)


Cellule staminali mesenchimali

Numerose sono poi le ricerche in altri campi, su cui non possiamo soffermarci. E’ tuttavia impossibile non accennare ai tentativi di rigenerare fibre muscolari ed in particolare in quel tessuto muscolare che è il miocardio: qui il motivo di interesse è dato anche dal tipo di cellule che vengono generalmente impiegate, vale a dire quelle cellule mesenchimali indifferenziate ottenute da varie fonti non embrionali quali il midollo osseo e addirittura il rivestimento dell’arteria aortica fetale: le ricerche sperimentali hanno ormai ampiamente dimostrato come queste cellule, opportunamente trattate in vitro, possano trasformarsi in cellule cardiache pulsanti e se ne prospetta l’uso per la riparazione di lesioni da infarto miocardico. In ambito muscolare puro, numerose ricerche sono volte a rigenerare le fibre distrutte nella Distrofia Muscolare di Duchenne. In realtà queste cellule “adulte“ hanno dimostrato una tale versatilità in coltura da poterne prospettare l’uso in situazioni assai diverse: basti pensare che si è potuto trasformarle, oltre che in cellule muscolari, in cellule progenitrici dell’osso, del fegato, del tessuto adiposo, del tubulo renale e così via. Si apre così il problema della “plasticità” delle cellule staminali somatiche, che, sebbene non possano gareggiare con la versatilità delle cellule embrionali, sembrano tuttavia capaci di un impiego molto più largo di quello sinora immaginato.


Uno sguardo al futuro

Ecco dunque un vastissimo terreno di indagine futura, con pressanti interrogativi:
1) In qual misura possiamo servirci di cellule staminali embrionali, con i problemi etico-sociali che vengono sollevati dal loro uso? La legislazione nei vari Paesi varia enormemente, con differenze che vanno dal divieto assoluto di ricerca su cellule embrionali a possibilità di impiego di embrioni altrimenti inutilizzati fino alla creazione di cellule embrionali a puro scopo di ricerca.

2) Fino a che punto si riuscirà a tradurre in uso pratico la plasticità di cellule già adulte, ma capaci di differenziarsi?

3) Si riuscirà a sfruttare estesamente le cellule di tessuti fetali, che per quanto “somatiche” mantengono un notevole potenziale evolutivo?

4) È possibile usare senza timori cellule staminali come “vettori” di terapia genica, per sostituire geni difettosi o mancanti?

Ci attendono anni di appassionanti ricerche per dare un risposta a questi interrogativi: non per nulla si è ammesso ad una recente riunione della FDA americana che le cellule staminali siano “l’arma terapeutica più complicata che si possa immaginare”.
grafica