Biologia delle cellule staminali

L’aumento del numero di pubblicazioni scientifiche relative alla staminologia che si è osservato negli ultimi anni riflette l’impegno nell’ approfondire la conoscenza della biologia delle cellule staminali finalizzata al loro impiego in terapie innovative cell-based (1-2).

Esistono quattro tipi di cellule staminali: embrionali, fetali, degli annessi embrionali ed adulte.

Le cellule staminali embrionali sono cellule indifferenziate, cioè hanno la capacità di produrre  tutte le tipologie cellulari di un individuo, assumendo in seguito le funzioni specifiche dei diversi tessuti e organi, ed hanno un potenziale proliferativo illimitato, rendendo così possibile ottenere una quantità sufficiente di cellule per applicazioni mediche. (3)

Attualmente non è ancora possibile utilizzare le cellule staminali embrionali a scopi terapeutici data la scarsa conoscenza dei meccanismi che regolano l’attività di queste cellule, e la loro intrinseca tendenza a produrre tumori. L’obiettivo a lungo termine della ricerca è sviluppare in modo mirato, partendo da staminali embrionali, cellule differenziate utilizzabili in terapia per sostituire quelle difettose. Dal punto di vista etico, la ricerca svolta sulle cellule staminali embrionali umane è controversa (4).

Infatti, nonostante sia stato dimostrato sperimentalmente che la produzione di staminali embrionali possa avvenire senza prelevare cellule direttamente da embrioni, “deprogrammando” cellule adulte, attualmente tali cellule sono di regola derivate da blastocisti (5).

Privandoli delle cellule staminali, gli embrioni umani vengono distrutti. Per questa ragione, dove consentito (come in Svizzera, per quanto riguarda la comunità europea), le cellule staminali possono essere derivate unicamente dagli embrioni cosiddetti soprannumerari, ossia quelli risultanti inutilizzati nelle pratiche di fecondazione artificiale(6-7).

Le cellule staminali fetali si trovano negli stadi tardivi dell’embrione e nel feto e sono le cellule che in utero provvedono all’accrescimento dei tessuti. Queste cellule presentano caratteristiche intermedie tra quelle delle staminali adulte ed embrionali. Infatti, hanno una proliferazione elevata come le staminali embrionali ma presentano un minore potenziale tumorigenico. Inoltre, come le staminali adulte Il loro utilizzo non presenta problemi etici, in quanto per reperirle si possono utilizzare i feti abortiti spontaneamente (8).

Altre cellule con caratteristiche che vanno dalla multipotenza all’unipotenza si possono trovare negli annessi embrionali (cordone ombelicale, placenta, sacco amniotico). Queste cellule sono facilmente accessibili in quanto dopo la nascita cordone ombelicale e placenta vengono normalmente eliminati. Per quesi motivi, sono già state utilizzate in trials di terapia rigenerativa ed in alcuni stati stanno nascendo banche per conservare i cordoni ombelicali dei neonati per un eventuale utilizzo futuro (9-10-11).

Con “cellule staminali adulte” vengono indicate le cellule staminali derivate dai tessuti di organismi adulti, per distinguerle da quelle di origine embrionale. Le cellule staminali adulte sono cellule non differenziate in grado sia di autoreplicarsi (dividersi in modo simmetrico dando origine a due cellule uguali alla cellula di partenza), sia, sotto l’influenza di particolari stimoli, di differenziare dando origine a cellule specializzate proprie del tessuto in cui sono localizzate. Normalmente il differenziamento non avviene direttamente, ma attraverso la generazione di cellule con caratteristiche intermedie ed orientamento già ben definito che vengono chiamate progenitori/precursori o trans amplifyign cells.

Questo processo avviene per divisione asimmetrica o per divisione simmetrica seguita da un dedifferenziamento della cellula progenitrice in staminale: questo garantisce la presenza continua di un pool di staminali nella nicchia di appartenenza. Il ruolo principale delle cellule staminali è quello di garantire il fisiologico ricambio delle cellule “invecchiate” (tissue renewing) e di ripristinare le cellule eventualmente danneggiate o morte a seguito di traumi o malattie (12).

La scoperta dell’esistenza delle cellule staminali adulte risale alla fine del 1800. In particolare essa è riconducibile all’osservazione che le cellule del sangue si rinnovano ciclicamente durante l’intera vita dell’organismo. Queste osservazioni hanno portato a formulare per la prima volta l’ipotesi (provata poi solo negli anni 60′) dell’esistenza di una popolazione di cellule indifferenziate, residenti nel midollo osseo e aventi la funzione di “serbatoio” dalle quali derivano gli elementi corpuscolati del sangue.

Questa scoperta ha indirizzato l’interesse dei ricercatori all’identificazione di altri elementi con caratteristiche di staminalità nel midollo osseo portando all’identificazione delle cellule staminali mesenchimali (MSC).

Successivamente, sono state identificate ed isolate cellule staminali da quasi tutti i tessuti adulti, animali ed umani, anche in quelli tradizionalmente annoverati come “post-mitotici” quindi  incapaci di autorigenerarsi, nonché in tessuti fetali (placenta e liquido amniotico) (13).

La tendenza attuale è diretta allo studio a scopo terapeutico delle cellule staminali adulte e di quelle derivate dagli annessi embrionali. In particolare le cellule staminali umane adulte non presentano i problemi etici e di sicurezza derivati dall’utilizzo di quelle embrio-fetali, in quanto non richiedono il sacrificio di un intero organismo e non sono tumorigeniche. Infatti le staminali adulte sono isolate da tessuti dell’organismo e possono essere usate in autologous setting eludendo il problema della risposta immunologica e del rigetto (14-15).

Staminali mesenchimali

Le cellule staminali mesenchimali sono state isolate dalla componente stromale del midollo osseo (dove rappresentano circa lo 0,01% di tutte le cellule nucleate ) per la prima volta negli anni ’70 da Friedenstein e collaboratori. Il midollo osseo rappresenta la “nicchia” biologica delle cellule staminali mesenchimali, qui, infatti, svolgono una funzione di richiamo delle cellule staminali ematopoietiche circolanti nel midollo (homing) e di supporto all’ematopoiesi: in altri termini interagiscono con le cellule staminali ematopoietiche, anch’esse residenti nel midollo (attraverso interazione cellula-cellula e secrezione di fattori di crescita) e favoriscono il loro differenziamento in cellule del circolo sanguinino (globuli rossi, globuli bianchi e piastrine) (16-17-18).

Le MSC sono state descritte come cellule aderenti alla plastica, con morfologia fibroblastoide e non fagociti che (19). Presentano inoltre la peculiare capacità di differenziare spontaneamente, sia in vitro che in vivo, in tutti i tessuti specializzati di derivazione embrionale mesodermale (tessuto osseo, tessuto cartilagineo e tessuto adiposo).

Oltre che dal midollo osseo, successivamente, le MSC sono stata isolate in maniera quasi ubiquitaria, tanto da fare ipotizzare la loro presenza in tutti gli organi ed i tessuti post natali. Infatti, nonostante ancora oggi la principale fonte di MSC rimanga il midollo osseo, queste possono essere anche estratte da sangue del cordone ombelicale, dalla placenta, da sangue periferico e da il tessuto adiposo (tessuto grasso), questa ultima fonte di MSC è considerata molto promettente dato che è possibile ottenere una grande quantità di cellule attraverso lipoaspirazione mantenendo lo stesso potenziale differenziativo delle MSC da midollo (20).

Le MSC sono le cellule staminali adulte ad oggi più studiate in quanto presentano caratteristiche proprie, in aggiunta a quelle di staminali derivanti da altri tessuti/organi.

In particolar modo è stato osservato che le MSC sono:

– facilmente isolabili grazie alla loro capacità adesiva;

– facilmente separabili da altre tipologie cellulari grazie all’espressione di un set di marcatori di membrana specifici (CD44+, CD90+, CD105+166+73+, CD34-, CD45-31-14-);

– facilmente espandibili in vitro in quanto presentano un elevato potenziale replicativo (21-22-23);

– in grado di espletare funzioni immunosuppressive e immunomodulatorie;

– in grado di migrare spontaneamente nei tessuti di origine ed anche selettivamente in tessuti danneggiati (multiorgan homing capacity/ trofismo ). In sede di danno promuovono la rigenerazione del tessuto compromesso sia mediante differenziamento che secrezione paracrina di fattori anti infiammatori .

Inoltre presentano una spiccata plasticità funzionale ed un potenziale differenziativo multilieneage (24-25).

Recentemente è stato dimostrato che, in particolari condizioni sperimentali in vitro (ma anche inseguito ad impianto ectopico in vivo) le cellule mesenchimali (probabilmente una sottopopolazione di cellule dotate di pluripotenza e definite per questo multipotent adult progenitor cells) possono differenziare in tipologie cellulari di tessuti con diversa origine embrionale, come ad esempio il tessuto nervoso ed il tessuto epatico.

Queste osservazioni hanno portato a confutare il paradigma classico della multipotenza delle cellule staminali adulte intesa come capacità differenziativa limitata proprio lineage. Questa definizione è stata sostituita dalla nuova teoria della “developmental plasticity“, ossia la capacità di oltrepassare i confini differenziativi segnati dal tessuto di appartenenza(26/37).