Breve guida sulle cellule staminali

Un dogma fondamentale della teoria cellulare è quello definito da Rudolf Virchow, medico del XIX secolo: “ogni cellula deriva da una cellula preesistente”. La teoria “omnis cellula e cellula” è in effetti una verità incontrastabile. Pensando allo zigote, per esempio, rammentiamo che lo sviluppo embrionale prevede una fase, detta segmentazione, in cui si ha solo divisione cellulare. Ogni cellula deriva da una cellula preesistente che si divide producendo due cellule figlie, ma in definitiva possiamo dire che tutte le cellule di un organismo pluricellulare derivano dallo zigote.

Durante lo sviluppo embrionale, le cellule, dapprima omogenee, iniziano a differenziarsi a seconda della loro posizione nell’embrione. Le cellule di un organismo maturo sono capaci di organizzarsi nei diversi tipi di tessuti e di organi di cui l’individuo completo è costituito, compresi gli annessi embrionali (allantoide, amnios, corion, placenta, sacco vitellino), se sono previsti. Ad esempio, un tratto intestinale è costituito genericamente da due strati di cellule epiteliali separati da tessuto connettivo sotto ciascuno strato, con in mezzo muscolatura liscia. Tre categorie di cellule funzionalmente differenti che formano tessuti differenti nello stesso organo. Il genoma di questi tipi cellulari è sempre lo stesso perché tutti derivano dallo stesso zigote. Ciò che cambia è l’espressione genica. Ogni volta che una cellula si differenzia perde o sospende la capacità di dividersi ed inizia a produrre un determinato set di proteine diverso da quello di una cellula appartenente ad un altro tessuto. La base del differenziamento cellulare consiste proprio nella produzione differenziale da parte delle cellule di specifiche proteine che definiscono struttura e funzione di tessuti, organi e apparati.

Alla fine dello sviluppo embrionale, l’organismo pluricellulare è costituito quasi del tutto da cellule differenziate che hanno smesso di proliferare. Quasi. Perché una piccola parte è rappresentata dalle cellule staminali, ossia cellule non specializzate che possono dividersi per periodi illimitati e che vivono nell’attesa di differenziarsi in un uno dei diversi tipi cellulari. La caratteristica delle cellule staminali è quella di poter entrare nella fase G0 del ciclo cellulare (stato di quiescenza a tempo indeterminato) e di uscirne, a seconda degli input che le stesse ricevono dall’ambiente circostante.

Le cellule staminali si autoriproducono e generano numerosi tipi di cellule specializzate. Per essere definita staminale, una cellula deve essere capace di autorinnovarsi, e cioè di riprodursi un numero illimitato di volte mantenendo lo stato di cellula non specializzata. Deve poi essere potenzialmente in grado di dare origine, per mezzo del differenziamento, ad uno o più tipi cellulari. Una cellula staminale ha più di un modo di dividersi e la scelta dipende dal contesto in cui opera. Durante l’embriogenesi ed in particolare nella segmentazione, quando ancora le cellule hanno un’attività proliferativa costante e sono ancora indifferenziate, le cellule, tutte staminali, si dividono in modo simmetrico, cioè producono due cellule figlie anch’esse staminali, in modo tale da aumentare il numero delle cellule che mantengono lo stato indifferenziato. Nella fase adulta, la modalità più frequente è la divisione asimmetrica, in cui da una cellula staminale derivano due cellule figlie: una cellula staminale di riserva ed una cellula differenziata. Grazie a questo tipo di divisione viene mantenuta nel tempo la presenza di un numero costante di cellule indifferenziate e quindi in grado di rimpiazzare le cellule usurate di un tessuto. Due sono quindi le proprietà che una cellula deve possedere per poter essere definita staminale: l’autorinnovamento e la potenza.

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Credit: Catherine Twomey for The National Academies (Fonte: quantumday.com)

La potenza delle cellule staminali diminuisce man mano che dallo zigote si passa all’organismo pluricellulare. Le cellule staminali possono essere classificate secondo la loro potenzialità di differenziamento. Lo zigote è la cellula capostipite totipotente perché è capace di produrre qualsiasi tipo cellulare, inclusi gli annessi embrionali. Anche i primi 8 blastomeri, che nell’insieme formano la morula, sono staminali totipotenti. Nella fase di blastocisti (successiva alla morula), le cellule del nodo embrionale (lo strato interno di cellule, da cui si forma il feto) perdono la totipotenza e diventano pluripotenti: da una singola cellula possono originare tutti i tipi di tessuti, tranne quelli extra-embrionali, come la placenta. Le cellule del feto sono pressoché pluripotenti. Dopo la gastrulazione, compaiono le staminali multipotenti, oligopotenti e unipotenti. I primi due tipi di staminali possono differenziarsi in un numero limitato di tipi cellulari, mentre le cellule unipotenti, come indica la parola stessa, possono originare soltanto un tipo cellulare (ad esempio gli epatociti e le cellule cubiche dello strato germinativo dell’epidermide). Nei tessuti, oltre alle cellule differenziate, vengono mantenute, ove presenti, queste tre popolazioni di cellule staminali, complessivamente definite cellule staminali adulte (ASCs) o somatiche. In letteratura è riportata la presenza di cellule staminali adulte in cute, midollo osseo, sangue, retina, cornea, tessuto adiposo, polpa dentale, pancreas, intestino e mesenchima neuronale.

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Da Biocomicals.com

Il fatto stesso di avere staminali significa che ogni tipo di tessuto che le presenta può in qualche maniera rigenerare. Il midollo osseo contiene almeno due popolazioni di cellule staminali adulte: cellule emopoietiche, da cui si rigenerano continuamente cellule della linea mieloide e quelle della linea linfoide, e cellule mesenchimali, dalle quali originano tessuto osseo, cartilagine e tessuti fibrosi connettivi. Il midollo osseo è il tessuto più impiegato a scopi terapeutici. Pensiamo ai casi di leucemia che vengono in qualche maniera marginati dal trapianto di tessuto midollare proveniente da individui affini al soggetto affetto dalla patologia. Le cellule staminali della cute certamente producono cellule della cute, ma molto difficilmente possono produrre spontaneamente cellule del midollo osseo o cellule nervose, o comunque cellule di tessuti diversi da quello da cui si prelevano. Esse sono invece adatte per sostituire le cellule cheratinizzate dell’epidermide che via via vanno esfoliandosi.

Le cellule staminali possono essere classificate anche a seconda della loro provenienza:

  • Cellule staminali amniotiche: derivano dal liquido amniotico e possono essere ottenute per amniocentesi. Sono simili per caratteristiche biologiche alle cellule staminali embrionali e possono esse stesse diventare staminali embrionali. Per la loro derivazione, queste cellule superano i problemi di tipo etico delle staminali embrionali.
  • Cellule staminali embrionali: sono cellule ad elevata plasticità. Derivano dallo strato interno della blastocisti (dalle cellule dello strato esterno si sviluppano i tessuti extra-embrionali). Essendo cellule pluripotenti, se messe in coltura, possono essere fatte differenziare in qualsiasi tipo cellulare dell’organismo, escluse le cellule degli annessi embrionali.
  • Cellule staminali fetali: provengono da tessuti fetali e pertanto sono già parzialmente differenziate. Possono dare origine solo ad alcuni tipi cellulari, a seconda della zona da cui vengono prelevate.
  • Cellule staminali da sangue placentare e del cordone ombelicale: sono cellule staminali adulte emopoietiche. Il sangue del cordone ombelicale e della placenta può essere prelevato e conservato in apposite banche di conservazione delle cellule staminali, che possono essere impiantate in futuro nello stesso individuo (conservazione per terapia autologa) o in individui geneticamente compatibili (conservazione per terapia allogenica), se sviluppano patologie del sangue.
  • Cellule staminali adulte: costituiscono il pool di cellule staminali presenti in un individuo, bambino o adulto. Sono presenti in molti tipi di tessuti ed hanno in genere la capacità di differenziarsi in cellule dello stesso foglietto embrionale (ectoderma, mesoderma o endoderma). Studi recenti dimostrerebbero che in realtà queste cellule staminali abbiano un potenziale di sviluppo più ampio, in altre parole che siano in grado di produrre cellule di tessuti che derivano da foglietti embrionali diversi. Per esempio, pare che dalle staminali del midollo osseo possano avere origine cellule epatiche, renali, neuronali, muscolari e follicolari, a seconda dei fattori di crescita utilizzati per la loro stimolazione.
  • Cellule staminali pluripotenti indotte (iPSCs): sono staminali ottenute artificialmente per dedifferenziamento di cellule somatiche adulte. La riprogrammazione genetica di cellule mature in cellule pluripotenti si deve al gruppo di ricerca del Prof. Shinya Yamanaka, il quale, per questa scoperta, nel 2012 è stato insignito del premio Nobel per la medicina. L’utilizzo delle iPSCs nella ricerca e, in futuro, nella terapia cellulare o genica potrebbe essere vantaggiosa in quanto, essendo generate a partire da cellule somatiche, le iPSCs non solo hanno le stesse potenzialità delle staminali embrionali, ma superano anche i limiti etici ed immunologici che caratterizzano queste cellule in quanto sussiste una perfetta corrispondenza genetica ed immunologica tra le cellule/i tessuti da trapiantare e l’organismo ricevente.

L’utilizzo principale delle cellule staminali nella terapia medica è la ricostruzione o la cura di tessuti/organi danneggiati o mal funzionanti per cause genetiche. Come detto, un problema della terapia a base di cellule staminali, specialmente se embrionali, è il rischio di immunorigetto in seguito ad un trapianto eterologo di cellule staminali. La soluzione a questo problema, sebbene mai attuata nella pratica clinica, era stata individuata inizialmente in una tecnica in linea di principio analoga alla clonazione: trasferimento del nucleo di una cellula somatica del soggetto malato in una cellula uovo anucleata di una donatrice. Si lascia sviluppare in vitro l’oocita fino a blastocisti. Le staminali embrionali, aventi tutte il corredo genetico dell’individuo che deve ricevere il trapianto e quindi immunologicamente compatibili, vengono fatte crescere in un opportuno terreno di coltura in modo tale da differenziare nei tipi cellulari richiesti dalla terapia.

Più recente (2007) è la creazione delle iPSCs umane da parte del Prof. Yamanaka e dei suoi colleghi dell’Università di Kyoto. Il nuovo approccio per la ricerca o la terapia con le cellule staminali non richiede più l’utilizzo di ovuli o embrioni, ma più semplicemente l’introduzione, per mezzo di vettori virali (retrovirus o adenovirus), di un pool di geni normalmente attivi solo nell’embrione, in cellule somatiche differenziate, come i fibroblasti.

Studi condotti sui topi dimostrano che le iPSCs possono curare le malattie monogeniche, come ad esempio l’anemia falciforme: la mutazione genetica causa del fenotipo patologico viene riparata (il gene mutato viene sostituito con una sua copia funzionante) prima di reintrodurre le cellule della pelle del topo anemico riprogrammate in staminali emopoietiche. Dopo il trapianto, i precursori della linea mieloide producono globuli rossi sani.

Le iPSCs possono essere di aiuto anche per la creazione di modelli sperimentali di malattie umane. Dal punto di vista farmacologico, è possibile ricreare un modello di malattia con le cellule del soggetto che ha la malattia e su queste cellule è possibile fare qualsiasi studio (terapia genica, test di farmaci, ecc..). Anche in questo caso l’idea è stata quella di derivare iPSC dalla pelle o dal sangue di pazienti, convertendole poi nei tipi cellulari colpiti dalla malattia. Quando le iPSC sono trasformate nei tipi cellulari interessati dalla malattia, le cellule in coltura sviluppano tutte le anomalie, come accade nei pazienti. Questo processo può consentire lo sviluppo di una malattia in provetta, con il vantaggio di avere una fornitura potenzialmente infinita di nuove cellule, perché le iPSC originali possono essere mantenute per un tempo indefinito.

Uno dei problemi principali che potrebbe limitare l’uso nell’uomo delle cellule staminali pluripotenti indotte è l’utilizzo dei virus, in particolare i retrovirus, come mezzi per la trasfezione del materiale genetico, indispensabile per il dedifferenziamento cellulare. Sebbene siano difettivi di replicazione, i retrovirus potrebbero attivare o aumentare l’espressione di oncogèni in quanto, per funzionare, questi tipi di virus hanno bisogno di integrarsi nel DNA genomico della cellula ospite e nel fare questo potrebbero provocare mutazioni che conferiscono un fenotipo tumorale alle cellule. Per questo motivo oggi si sta tentando di produrre iPSCs senza virus.

 

Immagine: Cellule staminali. Fonte immagine: stembook.org.