L’utilizzo delle cellule staminali a scopo terapeutico prevede l’espansione delle cellule prelevate dal paziente ed il loro reimpianto come sospensione cellulare. Particolare interesse ha suscitato osservare che le cellule staminali sono in grado di sfuggire al rigetto e modulare la risposta immune nei pazienti in cui vengono iniettate.
La scoperta delle cellule staminali adulte
All’inizio del secolo scorso, scoprire che le cellule del sangue si rinnovano continuamente durante l’intera vita dell’organismo ha condotto ad ipotizzare l’esistenza di una popolazione di cellule staminali, intesa come “serbatoio” di cellule non differenziate, da cui le cellule differenziate del sangue derivano. Oltre che dal midollo osseo, cellule staminali sono state successivamente identificate ed isolate da diversi altri tessuti animali ed umani, quali epidermide, cornea, mucosa del tratto digerente, tessuto adiposo, polpa dentaria, fegato, pancreas, cervello, muscolo scheletrico, cuore, vasi sanguigni e sangue periferico. In particolare, nel midollo osseo è stata identificata una seconda popolazione di cellule staminali, in aggiunta alle cellule staminali emopoietiche. Queste ulteriori cellule, isolate dalla componente stromale del midollo e chiamate Cellule Staminali Mesenchimali, possono originare le cellule differenziate di diversi tessuti connettivi derivati durante lo sviluppo dell’embrione da un particolare tessuto embrionale chiamato mesoderma. Più recentemente, cellule con caratteristiche di staminalità sono state isolate anche da tessuti fetali, quali placenta e liquido amniotico. Le cellule staminali derivate dai differenti tessuti di organismi adulti e dai tessuti fetali sono genericamente chiamate cellule staminali adulte per distinguerle dalle cellule staminali embrionali derivate da embrioni nei primissimi stadi di sviluppo. Le cellule staminali adulte possiedono due proprietà principali: sono cellule non differenziate in grado di autoreplicarsi (dividersi dando origine a due cellule uguali alla cellula di partenza) e, sotto l’influenza di particolari stimoli, sono contemporaneamente capaci di differenziare (diventare cellule specializzate), assumendo le caratteristiche delle cellule dei tessuti in cui sono localizzate. Il ruolo principale delle cellule staminali è quello di garantire nel tessuto di appartenenza il fisiologico ricambio delle cellule “invecchiate” e di ripristinare le cellule eventualmente morte a seguito di traumi o malattie.
La nicchia delle cellule staminali
Recenti studi hanno chiarito che le cellule staminali sono localizzate in specifiche “nicchie”. Si definisce nicchia quell’insieme di fattori che concorrono a determinare il microambiente in cui la cellula staminale è posizionata. Particolare importanza, a questo riguardo, assume la presenza nella nicchia di altre cellule, con cui la staminale può venire in contatto. Il contatto può essere diretto, mediante proteine presenti sulla membrana citoplasmatica delle due cellule, o indiretto, tramite proteine secrete da una cellula (fattori di crescita e citochine). Queste sono capaci di interagire con una proteina presente sulla membrana dell’altra cellula (recettore specifico), la quale riconosce la proteina secreta con una modalità chiave-serratura (meccanismo paracrino), risultando in questo modo stimolata.
Altro elemento importante della nicchia è la matrice extracellulare che circonda le cellule, intendendo con questo termine quella rete tridimensionale di macromolecole prodotte dalle cellule stesse, intrecciate e legate fra loro, di natura sia proteica, sia glicidica. Sulla superficie delle cellule sono presenti proteine che hanno funzioni analoghe a quelle dei recettori dei fattori di crescita, ma riconoscono le proteine della matrice extracellulare.
La particolare organizzazione della nicchia può essere molto diversa a seconda del tipo di cellula staminale. Nell’uomo, la nicchia delle cellule staminali emopoietiche risiede sulla superficie delle trabecole ossee presenti nel midollo, dove sono presenti anche cellule della componente stromale del midollo osseo. Le cellule staminali epiteliali (dell’epidermide) sono localizzate in un particolare rigonfiamento, situato a circa due terzi della radice del capello e nello strato basale dell’epidermide, mentre le cellule staminali dell’epitelio della cornea sono localizzate nel limbus, l’anello di confine fra la parte trasparente della superficie dell’occhio e la congiuntiva opaca. Le cellule staminali neuronali sono localizzate in specifiche regioni del cervello, la zona subventricolare ed il giro dentato. Altri tipi di cellule staminali sono altrimenti localizzate.
Il particolare microambiente della nicchia esercita un’influenza sulla cellula staminale e mantiene la cellula stessa proliferante, senza che questa perda le sue caratteristiche di staminalità. Normalmente, nella nicchia, la cellula staminale si divide in un arco di tempo relativamente lungo, se confrontato con i tempi di duplicazione delle altre cellule, dando origine a due cellule uguali a sé stessa. Occasionalmente, una cellula staminale che si è appena divisa può venire a trovarsi al di fuori della nicchia ed esposta ad un diverso microambiente. Nel nuovo microambiente, è stimolata a differenziare in una cellula specializzata del tessuto in cui si trova, passando per gli stadi intermedi di cellula progenitrice e di diversi precursori.
Plasticità delle cellule staminali
Contemporaneamente all’aumento del numero di tessuti dai quali le cellule staminali sono state isolate, un sempre crescente numero di evidenze si è accumulato circa la possibilità di queste cellule di oltrepassare i confini del loro tessuto di appartenenza e di differenziare verso cellule specifiche di altri tessuti. In particolare, verso la fine degli anni ’90, anche grazie ad importanti contributi di ricercatori italiani, veniva riportato in letteratura che cellule derivate dalla componente stromale del midollo osseo potevano dare origine a cellule del cervello, mentre cellule staminali neurali potevano differenziare in cellule del sangue. Studi successivi, eseguiti da altri gruppi di ricerca, hanno confermato la capacità di molte cellule staminali di modificare il programma differenziativo originale, che avrebbero seguito se lasciate nella loro sede naturale (localizzazione ortotopica), per intraprendere un programma differenziativo diverso sotto l’influenza del nuovo microambiente in cui si vengono a trovare quale conseguenza di un impianto in sede diversa (impianto ectopico). Questo fenomeno è stato descritto come la “plasticità delle cellule staminali”.
Le cellule staminali come agenti terapeutici
Grazie alle loro proprietà peculiari, in particolare alla loro capacità di differenziare verso cellule specializzate dei diversi tessuti, se impiantate nel giusto contesto e microambiente, le cellule staminali sono state considerate fin dal primo momento della loro identificazione come possibile strumento terapeutico, utilizzabile per la rigenerazione e la riparazione di tessuti danneggiati da traumi ed agenti patogeni eventualmente anche in associazione con biomateriali diversi che fungano da supporto e guida. I primi trapianti di tessuti ricostituiti a partire da cellule staminali sono stati eseguiti nella prima metà degli anni ’80, a Boston. Il gruppo di Howard Green ha trapiantato, in pazienti grandi ustionati con più dell’80% della superficie corporea interessata dall’ustione, epidermide ottenuta in vitro a partire da una piccola biopsia di una porzione di cute dello stesso paziente risparmiata dal fuoco. La ricostruzione di epitelio uretrale a partire da cellule derivate da una biopsia uretrale, e la ricostruzione dell’epitelio corneale in pazienti con opacità corneale dovuta alla crescita della congiuntiva sulla cornea a seguito del danno conseguente ad un’ustione da alcali, sono state, invece, esperite con successo per la prima volta nella prima metà degli anni ‘90 da Michele De Luca nel laboratorio dell’autore di questo articolo. La ricostruzione della cartilagine articolare del ginocchio danneggiata da traumi, per la maggior parte dovuti ad attività sportiva, con cellule derivate da una piccola biopsia prelevata da una regione non danneggiata della stessa superficie articolare è oggi una pratica clinica molto diffusa. Cellule endoteliali possono essere utilizzate per ricostituire una superficie cellulare su protesi vascolari e cardiache. Cellule mesenchimali derivate dal midollo osseo sono state proposte ed utilizzate per la rigenerazione o la riparazione di diversi tessuti, incluso quello cardiaco, nervoso, cartilagineo e dell’osso. Il nostro stesso gruppo di ricerca, alla fine degli anni ’90, ha ricostruito per la prima volta segmenti ossei in pazienti con deficit di 5-8 cm delle ossa degli arti, impiantando cilindri di ceramica porosa seminati con cellule mesenchimali dello stesso paziente, preliminarmente espanse in vitro. Particolare interesse ha suscitato, negli ultimi anni, osservare che le cellule staminali, in particolare le cellule staminali mesenchimali, sono in grado, non solo di sfuggire al rigetto quando iniettate in un organismo genotipicamente diverso, ma anche di modulare la risposta immune nei pazienti in cui vengono iniettate. Queste osservazioni hanno condotto alla proposta di utilizzare queste cellule in soggetti con patologie autoimmuni o in pazienti leucemici trapiantati ed a rischio rigetto (Graft Versus Host Disease).
Indirizzi attuali della ricerca sulle cellule staminali
Lo studio dei meccanismi fondamentali cellulari e molecolari che controllano il passaggio da uno stato di staminalità ad uno stato differenziato della cellula consentira’ di comprendere meglio come queste cellule promuovano la rigenerazione tissutale. L’identificazione di alcuni geni, che svolgono un ruolo importante nella determinazione e nel mantenimento della staminalità consentira’ di ingegnerizzarli in cellule differenziate presenti nei tessuti adulti, facendo loro riacquistare caratteristiche staminali ed in linea di principio, ottenere cellule staminali a partire da cellule dei tessuti di qualsiasi individuo. L’utilizzo delle cellule staminali a scopo terapeutico prevede, nella maggior parte dei casi, l’espansione delle cellule prelevate dal paziente ed il loro re-impianto come sospensione cellulare all’interno di un idrogel o in associazione con un’impalcatura costituita da molecole polimeriche naturali o di sintesi. Nel caso di ricostruzioni ossee, come impalcature sono frequentemente usate ceramiche porose. Parallelamente a questa modalità, che potremmo definire di “ingegneria tissutale classica”, in questi ultimi anni si sta affermando anche l’idea di un impiego delle cellule staminali non come cellule che direttamente rigenerano o ricostruiscono il tessuto, ma come catalizzatori abili a riattivare cellule silenti presenti nel tessuto danneggiato. Queste, una volta riattivate, sono in grado di rigenerare e riparare esse stesse il tessuto danneggiato. Questa azione delle cellule staminali risulterebbe particolarmente efficace in concomitanza con la risposta infiammatoria che si osserva nei vertebrati subito dopo traumi o azioni di agenti patogeni che danneggino il tessuto. Già negli anni ’80, lembi di epidermide espansa in vitro, ottenuta a partire da biopsie cutanee di soggetti donatori (epidermide espansa allogenica), sono stati utilizzati con successo per stimolare la riepitelializzazione di ulcere croniche degli arti inferiori in pazienti in cui terapie più “tradizionali” avevano ripetutamente fallito. Alcuni dei risultati ottenuti impiantando cellule mesenchimali staminali in pazienti infartuati sono stati spiegati con un effetto di queste cellule nel riattivare cellule cardiache residenti, altrimenti silenti, mediante il rilascio di fattori di crescita specifici nella regione cardiaca infartuata. In un recente studio, pubblicato dal nostro gruppo, abbiamo dimostrato in un modello animale come cellule mesenchimali staminali da midollo osseo espanse in coltura in condizioni non favorevoli al loro differenziamento, se impiantate dopo essere state seminate su una ceramica porosa, erano in grado di richiamare, all’interno della ceramica, cellule endoteliali progenitrici e cellule mesenchimali con potenziale osteogenico dell’animale in cui era avvenuto l’impianto, catalizzando, in questo modo, la formazione di un osso vascolarizzato senza partecipare direttamente alla formazione dell’osso o dei vasi sanguigni.
Ranieri Cancedda
Professore Ordinario e Presidente del Corso di Studi in Biotecnologie presso l’Università di Genova,
Direttore Laboratorio Medicina Rigenerativa presso l’Istituto Nazionale per la Ricerca sul Cancro di Genova
