Le staminali possono essere considerate le madri di tutte le cellule: la loro caratteristica principale è infatti quella di essere cellule indifferenziate, cioè prive di una funzione ben precisa, e quindi potenzialmente in grado di trasformarsi in uno qualunque degli oltre 200 tipi di cellule presenti nel nostro organismo. L’altra caratteristica che le contraddistingue è l’elevata capacità di replicazione, per cui da una singola cellula staminale madre si può ottenere un grande numero di cellule figlie, che possono essere ancora allo stato di staminali oppure assumere le caratteristiche di un determinato tessuto o organo. Per trasformarsi debbono però essere istruite ovvero sottoposte a condizioni o stimoli determinati: in questo sta la difficoltà e in questo campo sono attive le ricerche.
A seconda della loro capacità di evolvere si distinguono tre tipi di staminali:
• TOTIPOTENTI, se sono in grado di trasformarsi in tutti i tipi di cellule;
• PLURIPOTENTI, se sono in grado di trasformarsi in più tipi di cellule;
• UNIPOTENTI, se si evolvono verso un solo tipo di cellula.
A seconda della fonte da cui provengono le staminali si distinguono in:
1. ADULTE
2. FETALI
3. CORDONALI
4. EMBRIONALI
1. STAMINALI ADULTE
Possono essere pensate come le riserve di una squadra di calcio: a loro i tessuti adulti del nostro corpo si rivolgono per rigenerarsi e sostituire cellule invecchiate. Possono essere isolate, prelevate, coltivate in laboratorio. Mentre un tempo si credeva fossero in grado di differenziarsi solo nei tessuti da cui sono originate (per es. pelle, sangue), oggi alcune ricerche suggeriscono che possano dare origine anche a un tessuto diverso. Sono quindi certamente unipotenti, forse pluripotenti.
Oggi siamo in grado di riconoscerle in alcune zone profonde della pelle e nel midollo osseo (queste sono dette staminali mesenchimali). Recenti ricerche indicherebbero la loro presenza anche nel cervello. Non sappiamo se siano presenti anche in altri organi e in particolare, in relazione alla fibrosi cistica, non sappiamo se esistano nel polmone. Poiché il tessuto polmonare ha la capacità, entro certi limiti, di riparare i tessuti danneggiati, si pensa che questa capacità rigenerativa si basi anche sull’intervento di cellule staminali. Ad oggi, per quello che se ne sa, una specifica cellula staminale polmonare è molto difficile da isolare. A vari livelli del tratto respiratorio potrebbero trovarsi nicchie di cellule progenitrici immature oppure cellule staminali provenienti da altre regioni del corpo potrebbero migrare al polmone (approfondimenti in bibliografia: 1, 2, 3, 4).
2. STAMINALI FETALI
Si ricavano da feti che provengono da interruzione di gravidanza. Per quello che si sa oggi, sono considerate cellule pluripotenti, deputate in natura all’accrescimento dei tessuti del neonato. Anche in Italia sono coltivabili in laboratorio per ricerca. Anche nelle membrane amniotiche che circondano il feto sono presenti cellule staminali.
3. STAMINALI CORDONALI
Si ricavano dal sangue del cordone ombelicale. Per quanto si sa oggi, sembra siano in grado di dare origine solo a cellule del sangue. Potrebbero quindi essere impiegate (e in alcuni casi è già avvenuto) per la cura di malattie del sangue, come la talassemia o le leucemie.
Il cordone ombelicale, reciso al momento del parto, può essere conservato a bassissima temperatura e fornire staminali intatte anche dopo molto tempo. In altri paesi si sta seguendo la strada di creare apposite banche di cellule proprie per ogni neonato al momento della nascita. In Italia invece è vietato conservare presso strutture sanitarie pubbliche il cordone ombelicale per uso personale. È possibile farlo solo nel caso in cui sia destinato a un fratello che sia compatibile per quanto riguarda l’affinità genetica e sia affetto da una malattia per la quale vi siano reali prospettive di cura attraverso cellule staminali. È inoltre possibile la donazione: in questo caso il cordone sarà conservato presso banche o centri facenti parte di un circuito internazionale (GRACE, Gruppo per la Raccolta e Amplificazione delle Cellule Ematopoietiche) che permette, per le malattie in cui questo è indicato, di trovare il donatore necessario grazie a un archivio informatico collegato con i registri di donatori di midollo osseo o sangue cordonale di tutto il mondo (ADISCO, Associazione Donatrici Italiane Sangue Cordone Ombelicale – www.adisco.it).
4. STAMINALI EMBRIONALI
Sono totipotenti e hanno alta capacità di differenziazione e proliferazione. Possono essere coltivate in laboratorio indefinitivamente, con il risultato che da poche decine di cellule si possono ottenere linee di centinaia di milioni di staminali intatte nel tempo.
In Italia, attualmente, è aperto il dibattito se possano essere fonte di staminali da utilizzare per la ricerca scientifica gli embrioni orfani congelati e conservati nei centri di procreazione medicalmente assistita. In altri paesi si discute di differenti ipotesi, fra cui se embrioni possano essere prodotti a scopo di ricerca (clonazione terapeutica). In Inghilterra e Spagna sono stati istituiti appositi enti governativi che valutano i progetti di ricerca e danno il permesso in rapporto alla validità scientifica e alle finalità del progetto. In Inghilterra l’ente preposto, istituito già nel 1991, è chiamato Human Fertilisation and Embriology Authority (HFEA). Controlla le tecniche di fecondazione assistita, la ricerca sugli embrioni, la conservazione di ovociti e spermatozoi.
A seconda della loro origine le staminali embrionali si distinguono anche in:
• ETEROLOGHE
• AUTOLOGHE
Le EMBRIONALI ETEROLOGHE hanno patrimonio genetico diverso da quello del malato a cui potrebbero essere destinate e perciò esiste, per lo meno sul piano teorico, il rischio che siano rigettate perché non compatibili. Potrebbero essere ricavate dagli embrioni soprannumerari rimasti inutilizzati presso i centri per la cura dell’infertilità. Questi embrioni vengono conservati a temperatura bassissima e sono impiantabili entro un arco di tempo scientificamente ancora non ben definito, dopo di che non si prestano più ai fini della procreazione medicalmente assistita.
Le EMBRIONALI AUTOLOGHE hanno patrimonio genetico identico a quello del malato a cui potrebbero essere destinate, quindi non presenterebbero il rischio del rigetto. Derivano da un processo detto di clonazione terapeutica o trasferimento somatico di nucleo.
CLONAZIONE TERAPEUTICA E CLONAZIONE RIPRODUTTIVA
Si intende per clonazione la produzione di un organismo geneticamente identico a un altro in assenza della fusione dei gameti, cioè senza la fertilizzazione dell’ovocita da parte dello spermatozoo, quindi senza riproduzione sessuata.
In caso di riproduzione sessuata, il DNA contenuto nel nucleo dell’ovocita si fonde con il DNA dello spermatozoo e l’organismo che ne deriva ha un patrimonio genetico diverso dagli individui di partenza. Nella clonazione, invece, il patrimonio genetico del nuovo organismo è identico a quello dell’unico individuo da cui ha preso origine, come nel caso della famosa pecora Dolly.
Viene isolata una cellula somatica (del corpo) di un organismo animale e se ne estrae il nucleo. Questo nucleo viene inserito in un ovocita (secondo alcune fonti deve essere un ovocita fecondato, altre non riportano questo aspetto), che viene privato del suo nucleo. I fattori contenuti nel citoplasma (il liquido che circonda il nucleo) dell’ovocita sono in grado di riprogrammare il nucleo della cellula somatica, in modo che essa ritorni ad essere immatura e indifferenziata e possa ripartire verso un nuovo sviluppo.
A seconda che l’ovocita contenente il nucleo della cellula somatica sia impiantato in utero o coltivato in provetta si parla rispettivamente di CLONAZIONE RIPRODUTTIVA o di CLONAZIONE TERAPEUTICA. Nel primo caso, se l’impianto ha successo, può svilupparsi, crescere e dare vita a un clone. Nel secondo caso, le cellule vengono prelevate entro un paio di giorni dall’inserimento del nuovo nucleo nell’ovocita, per ricavarne cellule staminali embrionali.
USO DELLE STAMINALI: PRESENTE E FUTURO
Staminali adulte sono già in uso per la terapia delle ustioni cutanee e, nel campo delle lesioni traumatiche dell’occhio, per la riparazione di danni della cornea.
Per il futuro, malattie in cui sono aperte linee di ricerca basate sull’uso di staminali sono: alcune malattie delle ossa (genetiche e degenerative), il diabete, la cardiopatia ischemica, malattie degenerative del sistema nervoso come il morbo di Parkinson e l’Alzheimer.
Si può dire in generale che l’uso pratico delle staminali come terapia sarà possibile quando, nei prossimi anni, la ricerca avrà dato risposta ad alcuni interrogativi fondamentali oggi aperti.
• Il primo problema è disporre di metodi di identificazione delle staminali presenti nell’organismo umano ovvero trovare tutti gli organi in cui siano prodotte, saperle riconoscere, capirne il funzionamento.
• Il secondo problema è stabilirne il grado di trasformabilità (in termine tecnico “plasticità” = autoreplicazione e differenziazione in altri tipi di cellule). Al momento si ritiene che le staminali embrionali siano quelle dotate di maggiore plasticità.
• Il terzo problema è conoscere l’effettiva capacità delle staminali di rigenerare i tessuti danneggiati a livello di vari organi del nostro corpo: cuore, vasi, muscoli, fegato, cervello, polmone.
A questo riguardo, il progetto FFC 2/2013 ha dimostrato la possibilità di ottenere cellule staminali (dette Staminali Pluripotenti Indotte, IPS) da cellule mature dell’epitelio polmonare animale e la loro possibilità di attecchimento nel circostante epitelio polmonare. Il progetto FFC 2/2012 ha utilizzato cellule staminali di origine placentare (Staminali Mesenchimali Stromali) e ha ottenuto in vitro la loro trasformazione in cellule epiteliali respiratorie, capaci di parziale correzione della proteina CFTR di cellule FC (3). In entrambi i progetti le prove sperimentali supportano la continuazione delle ricerche con l’obiettivo di un possibile utilizzo terapeutico nel polmone FC.
• Il quarto problema è conoscere l’effettiva possibilità di usare le staminali per praticare terapia genica. Per esempio, nel caso della fibrosi cistica, se risultasse possibile usare le staminali del malato stesso, queste potrebbero essere prelevate, corrette in laboratorio con il trasferimento del gene CFTR normale, e poi reinfuse perché vadano a ricostruire il tessuto polmonare (terapia genica cellulare). Questo è stato dimostrato possibile a livello di laboratorio: sono state prelevate staminali dal midollo osseo di malati FC e sono state fatte evolvere in cellule dell’epitelio respiratorio. In queste è stata inserita una copia normale del gene CFTR, che ha normalizzato il funzionamento del canale del cloro, il problema di base della malattia (2).
Bibliografia essenziale 1) “The potential for stem cell therapy in cystic fibrosis”. Spencer H, Jaffe A. J R Soc Med 2004; 97:52. 2) “Adult stem cells from bone marrow stroma differenziate into airway epithelial cell: potential therapy for cystic fibrosis”. Wang G et al. Epub Proc Natl Acad Sci USA 2004 Dec 22. PMID 15615854. 3) “Correction of defective CFTR/ENaC function and tightness of cystic fibrosis airway epithelium by amniotic mesenchymal stromal (stem) cells”. Carbone A, Castellani S, Favia M, Diana A, Paracchini V, Di Gioia S, Seia M, Casavola V, Colombo C, Conese M., J Cell Mol Med. 2014 Aug;18(8):1631-43. doi: 10.1111/jcmm.12303. Epub 2014 Jun. 4) “Tissue engineering and the use of stem/ progenitor cells for airway epithelium repair” Roomans GM., Eur Cell Mater 2010 Jun 23, 19:284-99.
Le cellule staminali
Le staminali possono essere considerate le madri di tutte le cellule: la loro caratteristica principale è infatti quella di essere cellule indifferenziate, cioè prive di una funzione ben precisa, e quindi potenzialmente in grado di trasformarsi in uno qualunque degli oltre 200 tipi di cellule presenti nel nostro organismo. L’altra caratteristica che le contraddistingue è l’elevata capacità di replicazione, per cui da una singola cellula staminale madre si può ottenere un grande numero di cellule figlie, che possono essere ancora allo stato di staminali oppure assumere le caratteristiche di un determinato tessuto o organo. Per trasformarsi debbono però essere istruite ovvero sottoposte a condizioni o stimoli determinati: in questo sta la difficoltà e in questo campo sono attive le ricerche.
A seconda della loro capacità di evolvere si distinguono tre tipi di staminali:
• TOTIPOTENTI, se sono in grado di trasformarsi in tutti i tipi di cellule;
• PLURIPOTENTI, se sono in grado di trasformarsi in più tipi di cellule;
• UNIPOTENTI, se si evolvono verso un solo tipo di cellula.
A seconda della fonte da cui provengono le staminali si distinguono in:
1. ADULTE
2. FETALI
3. CORDONALI
4. EMBRIONALI
1. STAMINALI ADULTE
Possono essere pensate come le riserve di una squadra di calcio: a loro i tessuti adulti del nostro corpo si rivolgono per rigenerarsi e sostituire cellule invecchiate. Possono essere isolate, prelevate, coltivate in laboratorio. Mentre un tempo si credeva fossero in grado di differenziarsi solo nei tessuti da cui sono originate (per es. pelle, sangue), oggi alcune ricerche suggeriscono che possano dare origine anche a un tessuto diverso. Sono quindi certamente unipotenti, forse pluripotenti.
Oggi siamo in grado di riconoscerle in alcune zone profonde della pelle e nel midollo osseo (queste sono dette staminali mesenchimali). Recenti ricerche indicherebbero la loro presenza anche nel cervello. Non sappiamo se siano presenti anche in altri organi e in particolare, in relazione alla fibrosi cistica, non sappiamo se esistano nel polmone. Poiché il tessuto polmonare ha la capacità, entro certi limiti, di riparare i tessuti danneggiati, si pensa che questa capacità rigenerativa si basi anche sull’intervento di cellule staminali. Ad oggi, per quello che se ne sa, una specifica cellula staminale polmonare è molto difficile da isolare. A vari livelli del tratto respiratorio potrebbero trovarsi nicchie di cellule progenitrici immature oppure cellule staminali provenienti da altre regioni del corpo potrebbero migrare al polmone (approfondimenti in bibliografia: 1, 2, 3, 4).
2. STAMINALI FETALI
Si ricavano da feti che provengono da interruzione di gravidanza. Per quello che si sa oggi, sono considerate cellule pluripotenti, deputate in natura all’accrescimento dei tessuti del neonato. Anche in Italia sono coltivabili in laboratorio per ricerca. Anche nelle membrane amniotiche che circondano il feto sono presenti cellule staminali.
3. STAMINALI CORDONALI
Si ricavano dal sangue del cordone ombelicale. Per quanto si sa oggi, sembra siano in grado di dare origine solo a cellule del sangue. Potrebbero quindi essere impiegate (e in alcuni casi è già avvenuto) per la cura di malattie del sangue, come la talassemia o le leucemie.
Il cordone ombelicale, reciso al momento del parto, può essere conservato a bassissima temperatura e fornire staminali intatte anche dopo molto tempo. In altri paesi si sta seguendo la strada di creare apposite banche di cellule proprie per ogni neonato al momento della nascita. In Italia invece è vietato conservare presso strutture sanitarie pubbliche il cordone ombelicale per uso personale. È possibile farlo solo nel caso in cui sia destinato a un fratello che sia compatibile per quanto riguarda l’affinità genetica e sia affetto da una malattia per la quale vi siano reali prospettive di cura attraverso cellule staminali. È inoltre possibile la donazione: in questo caso il cordone sarà conservato presso banche o centri facenti parte di un circuito internazionale (GRACE, Gruppo per la Raccolta e Amplificazione delle Cellule Ematopoietiche) che permette, per le malattie in cui questo è indicato, di trovare il donatore necessario grazie a un archivio informatico collegato con i registri di donatori di midollo osseo o sangue cordonale di tutto il mondo (ADISCO, Associazione Donatrici Italiane Sangue Cordone Ombelicale – www.adisco.it).
4. STAMINALI EMBRIONALI
Sono totipotenti e hanno alta capacità di differenziazione e proliferazione. Possono essere coltivate in laboratorio indefinitivamente, con il risultato che da poche decine di cellule si possono ottenere linee di centinaia di milioni di staminali intatte nel tempo.
In Italia, attualmente, è aperto il dibattito se possano essere fonte di staminali da utilizzare per la ricerca scientifica gli embrioni orfani congelati e conservati nei centri di procreazione medicalmente assistita. In altri paesi si discute di differenti ipotesi, fra cui se embrioni possano essere prodotti a scopo di ricerca (clonazione terapeutica). In Inghilterra e Spagna sono stati istituiti appositi enti governativi che valutano i progetti di ricerca e danno il permesso in rapporto alla validità scientifica e alle finalità del progetto. In Inghilterra l’ente preposto, istituito già nel 1991, è chiamato Human Fertilisation and Embriology Authority (HFEA). Controlla le tecniche di fecondazione assistita, la ricerca sugli embrioni, la conservazione di ovociti e spermatozoi.
A seconda della loro origine le staminali embrionali si distinguono anche in:
• ETEROLOGHE
• AUTOLOGHE
Le EMBRIONALI ETEROLOGHE hanno patrimonio genetico diverso da quello del malato a cui potrebbero essere destinate e perciò esiste, per lo meno sul piano teorico, il rischio che siano rigettate perché non compatibili. Potrebbero essere ricavate dagli embrioni soprannumerari rimasti inutilizzati presso i centri per la cura dell’infertilità. Questi embrioni vengono conservati a temperatura bassissima e sono impiantabili entro un arco di tempo scientificamente ancora non ben definito, dopo di che non si prestano più ai fini della procreazione medicalmente assistita.
Le EMBRIONALI AUTOLOGHE hanno patrimonio genetico identico a quello del malato a cui potrebbero essere destinate, quindi non presenterebbero il rischio del rigetto. Derivano da un processo detto di clonazione terapeutica o trasferimento somatico di nucleo.
CLONAZIONE TERAPEUTICA E CLONAZIONE RIPRODUTTIVA
Si intende per clonazione la produzione di un organismo geneticamente identico a un altro in assenza della fusione dei gameti, cioè senza la fertilizzazione dell’ovocita da parte dello spermatozoo, quindi senza riproduzione sessuata.
In caso di riproduzione sessuata, il DNA contenuto nel nucleo dell’ovocita si fonde con il DNA dello spermatozoo e l’organismo che ne deriva ha un patrimonio genetico diverso dagli individui di partenza. Nella clonazione, invece, il patrimonio genetico del nuovo organismo è identico a quello dell’unico individuo da cui ha preso origine, come nel caso della famosa pecora Dolly.
Viene isolata una cellula somatica (del corpo) di un organismo animale e se ne estrae il nucleo. Questo nucleo viene inserito in un ovocita (secondo alcune fonti deve essere un ovocita fecondato, altre non riportano questo aspetto), che viene privato del suo nucleo. I fattori contenuti nel citoplasma (il liquido che circonda il nucleo) dell’ovocita sono in grado di riprogrammare il nucleo della cellula somatica, in modo che essa ritorni ad essere immatura e indifferenziata e possa ripartire verso un nuovo sviluppo.
A seconda che l’ovocita contenente il nucleo della cellula somatica sia impiantato in utero o coltivato in provetta si parla rispettivamente di CLONAZIONE RIPRODUTTIVA o di CLONAZIONE TERAPEUTICA. Nel primo caso, se l’impianto ha successo, può svilupparsi, crescere e dare vita a un clone. Nel secondo caso, le cellule vengono prelevate entro un paio di giorni dall’inserimento del nuovo nucleo nell’ovocita, per ricavarne cellule staminali embrionali.
USO DELLE STAMINALI: PRESENTE E FUTURO
Staminali adulte sono già in uso per la terapia delle ustioni cutanee e, nel campo delle lesioni traumatiche dell’occhio, per la riparazione di danni della cornea.
Per il futuro, malattie in cui sono aperte linee di ricerca basate sull’uso di staminali sono: alcune malattie delle ossa (genetiche e degenerative), il diabete, la cardiopatia ischemica, malattie degenerative del sistema nervoso come il morbo di Parkinson e l’Alzheimer.
Si può dire in generale che l’uso pratico delle staminali come terapia sarà possibile quando, nei prossimi anni, la ricerca avrà dato risposta ad alcuni interrogativi fondamentali oggi aperti.
• Il primo problema è disporre di metodi di identificazione delle staminali presenti nell’organismo umano ovvero trovare tutti gli organi in cui siano prodotte, saperle riconoscere, capirne il funzionamento.
• Il secondo problema è stabilirne il grado di trasformabilità (in termine tecnico “plasticità” = autoreplicazione e differenziazione in altri tipi di cellule). Al momento si ritiene che le staminali embrionali siano quelle dotate di maggiore plasticità.
• Il terzo problema è conoscere l’effettiva capacità delle staminali di rigenerare i tessuti danneggiati a livello di vari organi del nostro corpo: cuore, vasi, muscoli, fegato, cervello, polmone.
A questo riguardo, il progetto FFC 2/2013 ha dimostrato la possibilità di ottenere cellule staminali (dette Staminali Pluripotenti Indotte, IPS) da cellule mature dell’epitelio polmonare animale e la loro possibilità di attecchimento nel circostante epitelio polmonare. Il progetto FFC 2/2012 ha utilizzato cellule staminali di origine placentare (Staminali Mesenchimali Stromali) e ha ottenuto in vitro la loro trasformazione in cellule epiteliali respiratorie, capaci di parziale correzione della proteina CFTR di cellule FC (3). In entrambi i progetti le prove sperimentali supportano la continuazione delle ricerche con l’obiettivo di un possibile utilizzo terapeutico nel polmone FC.
• Il quarto problema è conoscere l’effettiva possibilità di usare le staminali per praticare terapia genica. Per esempio, nel caso della fibrosi cistica, se risultasse possibile usare le staminali del malato stesso, queste potrebbero essere prelevate, corrette in laboratorio con il trasferimento del gene CFTR normale, e poi reinfuse perché vadano a ricostruire il tessuto polmonare (terapia genica cellulare). Questo è stato dimostrato possibile a livello di laboratorio: sono state prelevate staminali dal midollo osseo di malati FC e sono state fatte evolvere in cellule dell’epitelio respiratorio. In queste è stata inserita una copia normale del gene CFTR, che ha normalizzato il funzionamento del canale del cloro, il problema di base della malattia (2).
Bibliografia essenziale
1) “The potential for stem cell therapy in cystic fibrosis”. Spencer H, Jaffe A. J R Soc Med 2004; 97:52.
2) “Adult stem cells from bone marrow stroma differenziate into airway epithelial cell: potential therapy for cystic fibrosis”. Wang G et al. Epub Proc Natl Acad Sci USA 2004 Dec 22. PMID 15615854.
3) “Correction of defective CFTR/ENaC function and tightness of cystic fibrosis airway epithelium by amniotic mesenchymal stromal (stem) cells”. Carbone A, Castellani S, Favia M, Diana A, Paracchini V, Di Gioia S, Seia M, Casavola V, Colombo C, Conese M., J Cell Mol Med. 2014 Aug;18(8):1631-43. doi: 10.1111/jcmm.12303. Epub 2014 Jun.
4) “Tissue engineering and the use of stem/ progenitor cells for airway epithelium repair” Roomans GM., Eur Cell Mater 2010 Jun 23, 19:284-99.