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Cellule staminali: dalla sperimentazione alla clinica
di Giorgio Racagni (Direttore Centro di Neurofarmacologia, Università degli Studi di Milano)
Negli ultimi dieci anni la ricerca scientifica e le scoperte fondamentali della biologia molecolare hanno raggiunto straordinari progressi nella comprensione dei meccanismi alla base dello sviluppo embrionale degli organismi viventi. Nonostante questi importanti progressi tecnologici, le nostre conoscenze sul progressivo differenziamento (un processo di graduale specializzazione e restringimento di potenzialità) cellulare delle cellule staminali che avviene durante lo sviluppo sono ancora piuttosto limitate.
Le potenzialità delle cellule staminali sono state largamente dimostrate e sperimentate in modelli animali, soprattutto nel topo: le cellule pluripotenti definite cellule ES (Embrionali Staminali), 
ottenute da blastocisti di topo, hanno dimostrato di essere in grado di dare origine, dopo opportuna induzione in vitro, a tutti i tipi cellulari in modo stabile e funzionale. In laboratorio, in particolari condizioni di coltura le cellule totipotenti possono essere propagate e riprodursi in maniera illimitata, pur mantenendo sempre la loro capacità a trasformarsi in qualunque tipo cellulare e a differenziarsi in un qualunque tessuto.
Cellule staminali sono state individuate anche in molti tessuti dell’organismo adulto (midollo osseo, cervello, pelle, etc), nel cordone ombelicale e nel liquido amniotico umano che viene routinariamente prelevato per l’amniocentesi. Anche se le potenzialità rigenerative sono sicuramente maggiori nelle cellule staminali embrionali, tuttavia queste ultime possono determinare processi rischiosi quali la trasformazione in cellule tumorali silenti. La maggiore applicazione delle cellule staminali è proprio quella di sostituire cellule o tessuti danneggiati o non funzionanti.
Un esempio e’ rappresentato dalla riparazione di midollo spinale danneggiato da eventi traumatici e fornire quindi una speranza alle persone affette da esiti di mielolesione. Questa possibilità è stata sperimentata nel ratto mediante la trasformazione di cellule staminali in precursori degli oligodendrocti attivi nella produzione in vivo di mielina. Tuttavia, sono pochi ancora gli studi preclinici di applicazione delle cellule staminali da qualunque fonte esse provengono.
A parte l’utilizzo ormai decennale delle cellule del midollo osseo per curare malattie del sangue e l’utilizzo delle staminali della pelle per ricostruire lo strato epidermico negli individui ustionati, pochi altri sono i casi di utilizzo clinico delle staminali. Recentemente tuttavia, l’azienda americana OSIRIS Therapeutics (Baltimora) è riuscita a dimostrare la capacità di cellule staminali da essa prodotte in grande quantità, le cellule mesenchimali (MSC) a rigenerare vari tipi di tessuto connettivo: osso, cuore, muscolo e cartilagine.
L’impiego di queste cellule non ha evidenziato forme di rigetto immunologico anche quando somministrate a individui differenti anche di specie dal donatore (uomo-cane, uomo-pecora ecc.). Queste cellule infatti non sembrano essere riconosciute dal sistema immune dell’ospite. Studi clinici di fase I sono stati avviati dall’azienda per favorire la riparazione di lesioni meniscali e la rigenerazione di cellule cardiache dopo un infarto. In questo contesto, un grande interesse scientifico è rivolto allo studio di eventi molecolari che orientano le cellule staminali verso uno specifico fenotipo, ad esempio, riparazione di neuroni del midollo spinale interrotti dopo lesione; di cellule cardiache danneggiate da un infarto miocardio, ecc.
Le ricerche in questo campo sono indirizzate all’identificazione di meccanismi c
he regolano l’espressione di alcuni geni che indirizzano le cellule a trasformarsi in un elemento specializzato, come un neurone, una cellula del sangue o una cellula cardiaca. La farmacologia potrebbe dare un contributo importante nello sviluppo e nella sintesi di farmaci “intelligenti” capaci di orientare la crescita di cellule staminali anche verso percorsi specifici e selettivi, senza ricorrere a procedimenti complessi e rischiosi. Oggi sappiamo che cellule staminali adulte si possono trovare nel midollo osseo.
Alcuni studi sperimentali hanno riguardato anche il trasferimento di cellule staminali derivate da midollo osseo in pazienti con cardiopatie gravi (come ad esempio l’infarto del miocardio). Tuttavia, in nessuno di questi esperimenti si è mai dimostrato in maniera inequivocabile che queste cellule di natura ematopoietica, hanno realmente transdifferenziato in cardiomiociti o altri tipi cellulari. Al contrario, alcuni ricercatori sono stati in grado di differenziare cellule embrionali in motoneuroni e cardiomiociti con completa espressione di proteine specifiche e acquisizione di funzioni biologiche proprie di questi tipi cellulari.
La lesione traumatica del midollo spinale (SCI) è uno stato clinico tra i più complessi da affrontare; infatti, la maggioranza dei pazienti colpiti da SCI sono di giovane età e buona parte di quelli sopravvissuti ad una lesione grave devono affrontare la prospettiva di un recupero limitato e di una probabile disabilità permanente. È noto che più del 90% delle lesioni al midollo non sono totali, e una porzione di assoni ventrali sopravvive al danno, sfortunatamente, però, non sono in grado di condurre l’impulso elettrico. Limitando la progressione del danno secondario, potrebbe essere possibile preservare l’eccitabilità degli assoni rimasti. L'incapacità di rigenerare, tipica delle cellule nervose danneggiate, ha spinto i ricercatori ad individuare terapie cellulari sostitutive atte a ripristinare la funzione neurologica (Bregman et al., 1993; Reier et al., 1994; Anderson et al., 1995).
Tra queste terapie vi è sicuramente il trapianto di tessuto cerebrale fetale il quale, oltre a comportare problemi etici e morali, non permette di controllare molti parametri funzionali cellulari che sono critici per l'effettivo attecchimento del trapianto e per l'ottenimento dell'effetto terapeutico (Seiger, 1985; Streilein, 1988, Olanow, 1996). La scoperta che il SNC di mammifero dell’adulto contiene cellule staminali multipotenti - le quali benché espandibili come elementi indifferenziati, possono essere poi indotte a differenziare in neuroni, oligodendrociti ed astrociti - ha permesso di ipotizzare una nuova strategia di trapianto alternativa all'uso di tessuto cerebrale fetale (Gage et al., 1995) da utilizzarsi anche nelle lesioni midollari.
Studi recenti preclinici condotti in un modello murino di lesioni spinali potrebbero fornire informazioni rilevanti per il paziente spinalizzato. Ricerche in collaborazione con il laboratorio diretto dal Prof. Gorio hanno lo scopo di valutare il destino (sopravvivenza, crescita, capacità migratoria e differenziamento) delle cellule staminali neurali nel trauma spinale sperimentale effettuato nel topo in una condizione cronica. Altro esempio di studi sperimentali per l’utilizzo delle staminali riguarda quello condotto dalla ditta americana GERON vedere anche: Vogel G. “Cell biology. Ready or not? Human ES cells head toward the clinic”, Science, vol. 308, pag. 1534-38, 2005) che quest’anno ha iniziato la sperimentazione con cellule ES in pazienti con lesioni del midollo spinale.
Questo studio rappresenta il primo nel campo che valuta nei pazienti le potenzialita’ delle cellule ES che nei modelli animali si sono dimostrate essere piu’ efficaci rispetto agli altri tipi di staminali considerate. In questo contesto dobbiamo purtroppo riportare risultati negativi di uno studio osservazionale condotto in Cina basato sull’utilizzo di tessuto cerebrale fetale impiantato in pazienti con lesioni spinali (ASIA A-D). Questo studio è stato molto criticato da un punto di vista metodologico, clinico ed etico: non si è dimostrato beneficio alcuno e sono state descritte gravi complicanze quali meningiti (Dobkin et al., 2006).
Grossi passi in avanti sono recentemente giunti anche dall’uso di staminali per il trattamento sperimentale delle distrofie muscolari. Un gruppo del San Raffaele di Milano e’ riuscito a rigenerare il tessuto muscolare in modelli canini distrofici precludendo ad un imminente traslazione di questi studi in studi preclinici. L’applicazione terapeutica della ricerca sulle cellule staminali è di notevole interesse e potrebbe condurre in futuro a una vera e propria rivoluzione in medicina.
Referenze
Anderson DK, Howland DR, Reir PJ (1995) Fetal Neural Grafts and Repair of the injured spinal cord. Brain Pathology 5: 451-457.
Bregman BS, Kunkel-Bagden E, Reier PJ, Dai HN, McAtee M, Gao D (1993) Recovery of function after spinal cord injury: mechanisms underlying transplant-mediated recovery of function differ after spinal cord injury in newborn and adult rats. Exp Neurol 123:3-16.
Dobkin BH, Curt A, Guest J (2006) Cellular transplants in China: observational study from the largest human experiment in chronic spinal cord injury. Neurorehabil. Neural Repair. 20 (1): 5-13.
Gage, F.H.et al. (1995) Survival and differentiation of adult neuronal progenitor cells transplanted to the adult brain. Proc.Natl.Acad.Sci. USA: 92, 11879-11883.
Olanow, C.W., Kordower, J.H., C.W., Freeman, T.B. (1996) Fetal nigral transplantation as a therapy for Parkinson’s disease. Trends. Neurosci.: 19, 102-109
Reier PJ, Anderson DK, Schrimsher GW, Bao J, Friedman RM, Ritz LA, Stokes BT (1994) Neural cell grafting: anatomical and functional repair of the spinal cord. In: The Neurobiology of Central Nervous System Trauma (Salzman SK, Faden AI eds), pp 288-311. New York: Oxford University Press.
Seiger B. (1985) Preparation of immature central nervous system regions for transplantation. In: Neural Grafting in the Mammalian CNS (Bjrklund A, Stenevi U eds), pp 71-77. Amsterdam: Elsevier.
Streilein JW (1988) Transplantation immunobiology in relation to neural grafting: lessons learned from immunologic privilege in the eye. Int J Dev Neurosci 6:497-511.
Vogel G. (2005) Cell biology. Ready or not? Human ES cells head toward the clinic. Science, vol. 308, pag. 1534-38.
19.02.2008