Cellule staminali mesenchimali nella terapia cellulare di patologie polmonari: facciamo il punto

A metà febbraio, l’ospedale pediatrico Vittore Buzzi di Milano ha comunicato un risultato importante nella cura di una grave malattia respiratoria che affliggeva un suo piccolo paziente. Il gruppo di ricerca, coordinato dal primario Gloria Pelizzo, ha annunciato di aver ottenuto infatti un significativo miglioramento nella funzionalità respiratoria del bambino a seguito di un trapianto di cellule staminali. Il bimbo, che fino a poco tempo fa era costretto a vivere con l’ausilio di un respiratore artificiale, sembrerebbe essere in grado di respirare autonomamente e di ricorrere all’intervento dei macchinari di respirazione meccanica soltanto per poche ore al giorno.

Una simile conquista è stata possibile grazie all’applicazione di una cura sperimentale compassionevole su una malattia degenerativa polmonare, causata da una mutazione del gene della filamina A (gene FLNA) che porta a un difetto delle cellule interstiziali (quelle che stanno fra gli alveoli e i vasi sanguigni) dei polmoni, basata sull’infusione di cellule staminali mesenchimali da donatore sano. Il protocollo della cura, sviluppato in collaborazione con la facoltà di Medicina dell’Università Statale di Milano, è stato approvato dall’Agenzia Italiana del Farmaco ma, attualmente, resta allo stadio di terapia sperimentale.

Immediata la risonanza mediatica che questo studio, ancora non pubblicato, ha causato, soprattutto tra le famiglie e i pazienti affetti da diverse patologie polmonari. Numerosi titoli di diverse agenzie di stampa hanno erroneamente parlato di polmoni rigenerati. Non nascondo il mio stupore nel leggere questi titoli, sapendo bene cosa sono e come lavorano le cellule staminali mesenchimali. La stessa Prof.ssa Pelizzo ha infatti affermato più correttamente: “L’infusione delle cellule staminali ha bloccato la degenerazione polmonare del paziente, consentendo agli alveoli di crescere e di espandersi”.

Queste cellule hanno consentito di rigenerare il tessuto polmonare o di bloccarne la degenerazione? Non è una questione semantica, ma un punto sostanziale e essenziale. La medicina rigenerativa è una nuova branca della medicina che sfrutta le capacità di cellule speciali -definite cellule staminali– di rigenerare completamente un tessuto danneggiato da malattie genetiche o autoimmuni che portano alla totale degenerazione del tessuto stesso. Diversi tipi di cellule staminali, classificabili sulla base della loro origine (embrionali o adulte) e della loro capacità a formare uno o più tessuti specifici (potency) sono oggi una realtà farmacologica per alcune patologie: basti pensare all’uso delle staminali ematopoietiche per le immunodeficienze congenite ADA-SCID o alle staminali epiteliali nella rigenerazione della cornea e nell’epidermolisi bollosa (una patologia genetica dell’epidermide). Per molte altre, l’uso delle cellule staminali è in continuo studio. Ma non tutte le staminali funzionano, non tutte sanno rigenerare un determinato tessuto, non tutte sanno fare tutto. Alla fine, queste cellule sono molto più selettive di quello che si pensi ma, perché possano svolgere correttamente la loro funzione, devono poter rigenerare il tessuto danneggiato. Medicina rigenerativa, appunto.

Le cellule staminali mesenchimali (Mesenchimal StemCells, MSC), usate in questo paziente, sono un esempio di cellule staminali tissutali o “adulte”. Sono cellule “multipotenti”, cioè sono in grado di produrre diversi tipi di cellule specializzate del corpo, ma non tutti i tipi. Le MSC, che si isolano prevalentemente dal connettivo presente nel midollo osseo, muscolo scheletrico, tessuto adiposo, producono sostanzialmente cellule di tipo connettivale: possono infatti differenziarsi o specializzarsi in cellule della cartilagine (condrociti), cellule ossee (osteoblasti) e cellule del grasso (adipociti). Diverse ricerche, perlopiù controverse, sembrano suggerire che le MSC potrebbero essere in grado di differenziarsi anche in tipi cellulari non connettivali, come le cellule nervose, cellule del muscolo cardiaco, cellule del fegato e cellule endoteliali che formano lo strato più interno dei vasi sanguigni. Questi risultati mancano tuttavia di conferma in studi più recenti. In alcuni casi sembra sia possibile che le MSC si siano fuse con cellule specializzate preesistenti, portando a conclusioni erronee sulla loro capacità di produrre particolari tipi cellulari. In altri casi i risultati erano dovuti a un effetto artificiale dato dalle sostanze chimiche adoperate per coltivare le cellule in laboratorio (questo fu scoperto nelle vicende legate al famoso “metodo Stamina”). Gli unici dati certi e riproducibili sulle MSC dicono che hanno la capacità di differenziarsi, crescere e diventare osso, cartilagine, grasso. Un uso quindi molto limitato in medicina rigenerativa. Eppure oggi esistono nel mondo più di 1.200 pubblicazioni che riguardano l’uso clinico delle staminali mesenchimali. Perché? È stato dimostrato da robuste pubblicazioni che queste cellule sono in grado di interagire con il sistema immunitario modulando la risposta infiammatoria tipica dei tessuti danneggiati e rilasciando fattori che favoriscono la sopravvivenza delle cellule danneggiate o in degenerazione. Per questo motivo vengono utilizzate all’interno di studi clinici sperimentali per il trattamento di alcune patologie che riguardano il sistema immunitario, come quelle che possono sorgere dopo un trapianto d’organo o nella sclerosi multipla.

Ma torniamo a questo studio. Sicuramente è un primo caso molto promettente che sembra dimostrare, o meglio, confermare la straordinaria capacità delle cellule staminali mesenchimali di controllare la risposta infiammatoria che, se persistente e incontrollata, porta alla progressiva degenerazione di un tessuto. Può questo approccio essere esteso ad altre patologie polmonari? Dipende dalla natura di queste.

Nel caso della fibrosi cistica, sono le cellule epiteliali che rivestono il lume dei bronchi a essere geneticamente difettose a causa delle mutazioni del gene CFTR, mentre le cellule interstiziali sono poco compromesse, almeno in una fase iniziale. Certo, il processo infiammatorio potrebbe essere controllato dalle cellule mesenchimali ma perché il paziente FC venga curato occorre poter utilizzare cellule che sappiano differenziarsi in cellule dell’epitelio respiratorio e che esprimano un buon livello del canale CFTR normale.

La domanda è quindi se sia possibile pensare a un approccio di Terapia Cellulare per la fibrosi cistica. La risposta è sì, è possibile ma siamo ancora in una fase esplorativa, preclinica. Sono stati svolti alcuni studi proprio sulle mesenchimali, che però si è visto essere in grado di persistere poco nell’epitelio respiratorio e di non sapere differenziarsi in epitelio.

La sfida che la ricerca sulla fibrosi cistica si pone non è solo di identificare nuove popolazioni staminali, migliori in termini di espressione di CFTR e differenziamento in epitelio respiratorio, ma anche quella di individuare nuove molecole segnale per potenziare il richiamo delle staminali stesse nell’epitelio respiratorio danneggiato, affinché possano raggiungerlo in modo efficiente e persistente nel tempo. Una volta identificato, caratterizzato e dimostrato il potenziale terapeutico di nuove cellule staminali, i sistemi di correzione genica, siano essi di gene replacement e di gene editing, ormai una realtà clinica in alcune patologie, permetteranno approcci di Terapia Cellulare innovativi con trapianto autologo di staminali. La Fondazione Ricerca Fibrosi Cistica da anni sta investendo su questo campo di ricerca e siamo in attesa di vederne i risultati nel prossimo futuro.

Ci sono diversi studi, finanziati da Fondazione, che sembrano essere quindi promettenti. Se funzionassero, sarebbero la soluzione per tutte le classi di mutazione del CFTR e consentirebbero non solo il ripristino della funzionalità del canale e quindi la cura del difetto genetico, ma anche la rigenerazione dell’epitelio polmonare severamente danneggiato.

1) A. Aiuti et al., Correction of ADA-SCID by stem cell gene therapy combined with nonmyeloablative conditioning. Science. 296, 2410–2413 (2002).
2) E. M. Murauer, U. Koller, G. Pellegrini, M. De Luca, J. W. Bauer, Advances in Gene/Cell Therapy in Epidermolysis Bullosa. Keio J Med. 64, 21–25 (2015).
3) D. J. Weiss, Concise Review: Current Status of Stem Cells and Regenerative Medicine in Lung Biology and Diseases. STEM CELLS. 32, 16–25 (2014).
4) D. N. Kotton, E. E. Morrisey, Lung regeneration: mechanisms, applications and emerging stem cell populations. Nat Med. 20, 822–832 (2014).
5) S. V. Murphy, A. Atala, Cell therapy for cystic fibrosis. J Tissue Eng Regen Med. 9, 210–223 (2013).
6) D. Wang, D. L. Haviland, A. R. Burns, E. Zsigmond, R. A. Wetsel, A pure population of lung alveolar epithelial type II cells derived from human embryonic stem cells. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.104, 4449–4454 (2007).
7) A. Somers et al., Generation of transgene-free lung disease-specific human induced pluripotent stem cells using a single excisable lentiviral stem cell cassette. STEM CELLS. 28, 1728–1740 (2010).
8) A. P. Wong et al., Directed differentiation of human pluripotent stem cells into mature airway epithelia expressing functional CFTR protein. Nat. Biotechnol.30, 876–882 (2012).
9) G. Wang et al., Adult stem cells from bone marrow stroma differentiate into airway epithelial cells: potential therapy for cystic fibrosis. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.102, 186–191 (2005).
10) A. P. Wong et al., Identification of a bone marrow–derived epithelial-like population capable of repopulating injured mouse airway epithelium. J. Clin. Invest., 1–13 (2009).
11) R. Loi, T. Beckett, K. K. Goncz, B. T. Suratt, D. J. Weiss, Limited Restoration of Cystic Fibrosis Lung Epithelium In Vivowith Adult Bone Marrow–derived Cells. Am J Respir Crit Care Med. 173, 171–179 (2006).
12) E. M. Bruscia et al., Engraftment of Donor-Derived Epithelial Cells in Multiple Organs Following Bone Marrow Transplantation into Newborn Mice. STEM CELLS. 24, 2299–2308 (2006).
13) V. Sueblinvong et al., Derivation of lung epithelium from human cord blood-derived mesenchymal stem cells. Am J Respir Crit Care Med. 177, 701–711 (2008).