Indice
- Punti chiave
- Introduzione
- Fonti di cellule staminali pluripotenti
- Cellule staminali embrionali (ESC)
- Cellule staminali molto piccole simili a embrionali (VSEL)
- Cellule staminali da trasferimento nucleare (NTSC)
- Cellule staminali riprogrammate (RSC)
- Cellule staminali adulte
- Applicazioni cliniche e prospettive future
- Considerazioni etiche
- Domande frequenti
- Informazioni sulla fonte
Punti chiave
- Le cellule staminali sono in grado di autorinnovarsi e di differenziarsi in tipi cellulari specializzati derivanti dai tre foglietti germinativi.
- Esistono cinque principali tipi di cellule staminali: embrionali, VSEL, da trasferimento nucleare, riprogrammate e adulte.
- Le cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) possono essere ottenute da cellule adulte, come quelle di un campione di urina.
- Le cellule staminali da trasferimento nucleare sono state utilizzate per clonare primati, contribuendo alla ricerca sulle malattie.
- Sono in corso sperimentazioni cliniche per trapianti di retina e di midollo spinale che utilizzano cellule staminali.
Introduzione
La ricerca sulle cellule staminali ha subito cambiamenti rivoluzionari negli ultimi 20 anni, con progressi particolarmente rapidi nell'ultimo decennio. Questo campo è iniziato nel 1961, quando i ricercatori canadesi Drs. James A. Till ed Ernest A. McCulloch scoprirono per la prima volta cellule staminali nel midollo osseo di topo che potevano differenziarsi in vari tipi cellulari, stabilendo il concetto di cellule staminali pluripotenti (PSC), ossia cellule capaci di diventare qualsiasi tipo di cellula del corpo.
Il campo ha raggiunto diverse tappe fondamentali: la pecora Dolly è stata clonata nel 1996 mediante trasferimento nucleare di cellula somatica (SCNT), le prime cellule staminali embrionali umane (hESC) sono state isolate nel 1998 e le cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) sono state create nel 2006 riprogrammando cellule adulte con appena quattro fattori di trascrizione. L'importanza di queste scoperte è stata riconosciuta quando Shinya Yamanaka e John Gurdon hanno ricevuto il Premio Nobel 2012 per il loro lavoro, che ha dimostrato come le cellule mature potessero essere riprogrammate a uno stato pluripotente.
Attraverso una revisione sistematica, i ricercatori hanno identificato cinque principali categorie di cellule staminali: cellule staminali embrionali (ESC), cellule staminali molto piccole simili a embrionali (VSEL), cellule staminali da trasferimento nucleare (NTSC), cellule staminali riprogrammate (RSC) e cellule staminali adulte. Ogni tipo offre vantaggi e sfide unici per le applicazioni cliniche. Solo le NTSC sono state utilizzate per generare un organismo completo (scimmie in Cina, 2018), mentre gli altri tipi sono stati utilizzati per generare tessuti e organi.
Le cellule staminali, in particolare le ESC e le iPSC, mostrano un'enorme promessa in quattro aree principali: medicina rigenerativa e dei trapianti, modellizzazione delle malattie, screening per la scoperta di farmaci e biologia dello sviluppo umano. Il campo continua a evolversi dalle scoperte iniziali verso applicazioni cliniche in espansione, sebbene rimangano delle sfide, in particolare per quanto riguarda il controllo della proliferazione e della differenziazione cellulare, poiché la tecnologia di riprogrammazione delle iPSC è ancora relativamente recente.
Fonti di cellule staminali pluripotenti
Le cellule staminali pluripotenti (PSC) sono caratterizzate da due proprietà essenziali: l'autorinnovamento (capacità di proliferare) e la potenza (capacità di differenziarsi in tipi cellulari specializzati derivati da uno dei tre foglietti germinativi primari: ectoderma, endoderma o mesoderma). I ricercatori utilizzano tre saggi principali per testare la pluripotenza nei modelli murini.
Il saggio di formazione del teratoma valuta la generazione spontanea di tessuti differenziati da tutti e tre i foglietti germinativi dopo il trapianto di cellule in topi immunocompromessi. Il saggio di formazione di chimere verifica se le cellule staminali contribuiscono allo sviluppo iniettandole in embrioni precoci (blastocisti 2N) e controllando se le cellule donatrici hanno capacità di trasmissione della linea germinale, generano gameti funzionali e mantengono l'integrità cromosomica. Il saggio di complementazione tetraploide (4N) determina la capacità delle cellule pluripotenti all'interno di un intero organismo iniettando le cellule in embrioni 4N e monitorando le fasi di crescita per le linee extraembrionali derivanti dalle cellule staminali trapiantate anziché dall'embrione stesso.
Cellule staminali embrionali (ESCs)
Le cellule staminali embrionali umane (hESC) vengono prelevate da blastocisti in fase precoce (4-5 giorni dopo la fecondazione), sia distruggendo la blastocisti di origine sia prelevando tessuti in fase più avanzata (fino a 3 mesi di età gestazionale). Queste sono state le prime cellule staminali impiegate in applicazioni di ricerca e rimangono comunemente utilizzate nelle sperimentazioni cliniche odierne (come monitorato su clinicaltrials.gov).
Le hESC rappresentano lo standard di riferimento per la pluripotenza, ma comportano preoccupazioni etiche relative alla distruzione dell'embrione e potenziali problemi di rigetto immunitario quando vengono trapiantate nei pazienti. Nonostante queste sfide, continuano a fornire preziose informazioni sulla biologia dello sviluppo e servono come importanti termini di confronto per le più recenti tecnologie sulle cellule staminali.
Cellule staminali molto piccole simili a embrionali (VSELs)
Un nuovo tipo di cellula staminale pluripotente, chiamato cellule staminali molto piccole simili a embrionali (VSEL), ha mostrato risultati promettenti dalla loro identificazione nel 2006. Oltre 20 laboratori indipendenti ne hanno confermato l'esistenza, sebbene alcuni gruppi abbiano messo in dubbio la loro validità. Queste cellule sono piccole cellule staminali dello sviluppo precoce presenti nei tessuti adulti che esprimono marcatori di pluripotenza.
I VSEL misurano circa 3-5 micrometri nei topi e 5-7 micrometri negli esseri umani (leggermente più piccoli dei globuli rossi). Esprimono marcatori ESC tra cui SSEA, Oct-4A nucleare, Nanog e Rex1, insieme a marcatori per le cellule germinali primordiali migranti come Stella e Fragilis. La loro origine dello sviluppo può essere associata a depositi della linea germinale negli organi in via di sviluppo durante l'embriogenesi.
Secondo un modello proposto nel 2019, le VSEL derivano dalle cellule germinali primordiali e si differenziano in tre possibili destini: cellule staminali mesenchimali (MSC), emangioblasti (comprese le cellule staminali ematopoietiche e le cellule endoteliali progenitrici) e cellule staminali determinate dal tessuto. In quanto cellule staminali pluripotenti, le VSEL potrebbero avere il vantaggio di potersi differenziare attraverso i foglietti germinativi negli animali o negli esseri umani adulti, funzionando potenzialmente come alternativa alle cellule staminali monopotenti determinate dal tessuto negli adulti.
Le VSEL potrebbero superare diversi problemi associati ad altri tipi di cellule staminali: le controversie etiche delle ESC e il rischio di formazione di teratomi (tumori) delle iPSC. Ciò le rende particolarmente promettenti per i futuri studi sulle cellule staminali e per le applicazioni cliniche in cui queste preoccupazioni rappresentano barriere significative.
Cellule staminali da trasferimento nucleare (NTSCs)
Scoperta originariamente nel 1996, la tecnica del trasferimento nucleare di cellula somatica (SCNT) si è gradualmente evoluta fino a generare le cellule staminali da trasferimento nucleare (NTSC). Questo processo inizia con l'impianto di un nucleo donatore proveniente da una cellula somatica completamente differenziata (come un fibroblasto) in un oocita enucleato (cellula uovo privata del nucleo).
La nuova cellula uovo ospite innesca quindi la riprogrammazione genetica del nucleo donatore. Numerose divisioni mitotiche di questa singola cellula in coltura sviluppano una blastocisti (circa 100 cellule in fase embrionale precoce), generando infine un organismo con DNA quasi identico all'organismo originale: un clone del donatore del nucleo. Il processo può produrre sia clonazione terapeutica sia riproduttiva.
Dolly la pecora (1996) è stato il primo clone riproduttivo riuscito di un mammifero. Da allora, sono state clonate circa due dozzine di altre specie. Nel gennaio 2018, scienziati cinesi a Shanghai hanno annunciato di aver clonato con successo due scimmie macaco femmine utilizzando fibroblasti fetali tramite SCNT: i primi primati clonati con questo metodo.
La creazione di primati clonati potrebbe rivoluzionare la ricerca sulle malattie umane. Primati non umani geneticamente uniformi potrebbero servire come validi modelli animali per la biologia dei primati e la ricerca biomedica, contribuendo a indagare i meccanismi delle malattie e i bersagli farmacologici, riducendo al contempo i fattori confondenti legati alla variabilità genetica e il numero di animali da laboratorio necessari. Questa tecnologia potrebbe essere combinata con l'editing genomico CRISPR-Cas9 per creare modelli primati geneticamente modificati di disturbi umani come il morbo di Parkinson e vari tipi di cancro.
Le aziende farmaceutiche hanno espresso un'elevata domanda di scimmie clonate per i test farmacologici. Entusiasta di questa prospettiva, Shanghai ha dato priorità al finanziamento per istituire un Centro Internazionale di Ricerca sui Primati per produrre animali da ricerca clonati destinati all'uso internazionale. SCNT è unico tra gli approcci con cellule staminali in quanto può generare un intero corpo vivente invece che soltanto strati di cellule, tessuti o frammenti di organi, conferendogli vantaggi funzionali biofisiologici rispetto a ESCs e iPSCs sia per la ricerca di base sia per l'applicazione clinica.
Cellule staminali riprogrammate (RSCs)
Dal 2006, quando Yamanaka e colleghi hanno generato per la prima volta cellule staminali pluripotenti indotte (iPSCs), le tecnologie di riprogrammazione hanno compiuto notevoli progressi. Ciò vale in particolare per i metodi di riprogrammazione diretta sia in ambiente di laboratorio (in vitro) sia all'interno di organismi viventi (in vivo) per produrre specifici lineage tissutali utilizzando fattori di trascrizione con restrizione di lineage, modifiche del segnale dell'RNA e piccole molecole o sostanze chimiche.
Questi approcci diretti saltano la fase iPSC, producendo cellule più precise come le cellule progenitrici neurali indotte (iNPCs) che sono più vicine ai lineage cellulari target, come le cellule neurali e i successivi motoneuroni. Le cellule staminali riprogrammate (RSCs) si ottengono applicando qualsiasi metodo di laboratorio per riprogrammare i segnali genetici delle cellule primarie, escludendo la tecnica SCNT.
Per superare le sfide etiche e immunogeniche associate alle hESCs, le iPSCs sono emerse come un'alternativa promettente poiché derivano da tessuti somatici adulti. Le fonti di iPSC umane — tra cui sangue, pelle e urine — sono abbondanti. Poiché le hiPSCs possono essere prelevate da singoli pazienti, il rigetto immunitario può essere evitato quando vengono trapiantate nuovamente nello stesso paziente (trapianto autologo).
I ricercatori hanno sviluppato metodi per ottenere hiPSCs da cellule tubulari renali presenti nelle urine. Un protocollo che richiede solo un campione di urina da 30 ml è semplice, relativamente rapido, economicamente vantaggioso e universale (applicabile a pazienti di tutte le età, generi e origini razziali/etniche). La procedura totale prevede solo 2 settimane di coltura cellulare e 3-4 settimane di riprogrammazione, producendo elevate rese di iPSC con eccellente potenziale di differenziamento.
Le iPSC derivate da urine, raccolte da campioni di urine pulite del mitto intermedio da 200 mL tramite il sistema di veicolazione del virus Sendai, hanno mostrato un cariotipo normale (struttura cromosomica) e hanno esibito potenziale di differenziamento in tutti e tre i foglietti germinativi nei saggi di formazione del teratoma. Una sottopopolazione di cellule isolate dalle urine ha mostrato caratteristiche di cellule progenitrici, inclusa l'espressione sulla superficie cellulare dei marcatori c-Kit, SSEA4, CD105, CD73, CD91, CD133 e CD44, che possono distinguere tra i lineage cellulari della vescica (uroteliale, muscolo liscio, endoteliale e interstiziale), rendendole una promettente fonte cellulare alternativa.
Cellule staminali adulte
Le cellule staminali adulte rappresentano un'altra importante categoria di cellule staminali presenti in vari tessuti del corpo. A differenza delle cellule staminali pluripotenti, queste sono tipicamente multipotenti, ossia in grado di differenziarsi in una gamma limitata di tipi cellulari specifici del tessuto di origine.
Le fonti comuni includono midollo osseo, tessuto adiposo (grasso), polpa dentale e vari organi. Le cellule staminali mesenchimali (MSCs) sono tra le cellule staminali adulte più studiate e hanno mostrato potenzialità nel trattamento di condizioni infiammatorie, nel promuovere la riparazione dei tessuti e nel modulare le risposte immunitarie.
Pur essendo meno versatili delle cellule staminali pluripotenti, le cellule staminali adulte offrono vantaggi tra cui minori preoccupazioni etiche, un rischio inferiore di formazione di tumori e un uso clinico consolidato in procedure come il trapianto di midollo osseo. La ricerca continua a esplorare il loro pieno potenziale e i meccanismi d'azione.
Applicazioni cliniche e direzioni future
La ricerca sulle cellule staminali è progredita attraverso ricerca fondamentale, studi preclinici e ora sperimentazioni cliniche in molteplici aree di applicazione. I progressi nelle combinazioni di fattori di riprogrammazione, nei metodi sperimentali e nell'elucidazione delle vie di segnalazione hanno contribuito alle prime sperimentazioni cliniche per trapianti di cellule retiniche e trapianti di midollo spinale.
Il campo continua ad affrontare sfide legate al controllo della proliferazione e del differenziamento cellulare. I ricercatori stanno riesaminando sistematicamente argomenti metodologici tra cui: induzione della pluripotenza mediante modificazioni genomiche; costruzione di nuovi vettori con fattori di riprogrammazione; promozione della pluripotenza delle iPSC con piccole molecole e vie di segnalazione genetica; potenziamento della riprogrammazione con microRNA; induzione e potenziamento della pluripotenza delle iPSC con sostanze chimiche; generazione di specifici tipi cellulari differenziati; e mantenimento della pluripotenza e della stabilità genomica delle iPSC.
Questi argomenti sono cruciali per massimizzare l'efficacia della generazione e della differenziazione delle iPSC in preparazione alla traslazione clinica. I progressi nella coltura cellulare includono la coltura feeder-free, terreni xeno-free (evitando prodotti di origine animale) e varie tecniche potenziate con biomateriali. Le tecnologie cellulari e di bioprinting tridimensionali (3D) rappresentano direzioni particolarmente promettenti, insieme alle risorse di PSC e alla riprogrammazione cellulare diretta di seconda generazione in organismi viventi.
Gli obiettivi a lungo termine della ricerca sulle cellule staminali e della pratica clinica si concentrano sullo sviluppo di trattamenti sicuri ed efficaci per condizioni tra cui malattie neurodegenerative, lesioni del midollo spinale, malattie cardiache, diabete e molte altre condizioni in cui la sostituzione cellulare o la rigenerazione tissutale potrebbe fornire benefici terapeutici.
Considerazioni etiche
La ricerca sulle cellule staminali continua a confrontarsi con importanti considerazioni etiche, in particolare per quanto riguarda le cellule staminali embrionali e le tecnologie di clonazione. La distruzione di embrioni umani per la ricerca sulle hESC rimane controversa in molte società ed è regolamentata in modo diverso nei vari Paesi.
Le tecnologie emergenti come le cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) contribuiscono ad affrontare alcune preoccupazioni etiche fornendo fonti alternative di cellule pluripotenti senza distruzione di embrioni. Tuttavia, emergono nuove questioni etiche riguardo alla manipolazione genetica, al consenso per la donazione di cellule e all'accesso equo alle terapie che ne derivano.
La comunità di ricerca internazionale continua a sviluppare linee guida e normative per garantire un progresso etico nella ricerca sulle cellule staminali, massimizzando al contempo i potenziali benefici per i pazienti affetti da varie malattie e condizioni.
Domande frequenti
Quali sono i diversi tipi di cellule staminali?
L'articolo descrive cinque principali categorie di cellule staminali: cellule staminali embrionali (ESCs), cellule staminali molto piccole simili a embrionali (VSELs), cellule staminali da trasferimento nucleare (NTSCs), cellule staminali riprogrammate (RSCs) e cellule staminali adulte. Ogni tipo ha fonti uniche e potenziale clinico. Per esempio, le ESCs vengono prelevate dalle blastocisti, mentre le iPSC vengono riprogrammate da cellule adulte.
Le cellule staminali possono essere utilizzate per trattare malattie?
Sì, le cellule staminali sono promettenti nella medicina rigenerativa, nella modellizzazione delle malattie e nella scoperta di farmaci. Sono in corso studi clinici per condizioni come lesioni retiniche e del midollo spinale. Tuttavia, rimangono sfide nel controllo della proliferazione e della differenziazione cellulare. Le cellule staminali adulte sono già utilizzate nei trapianti di midollo osseo e le iPSC potrebbero consentire terapie personalizzate.
Quali sono le preoccupazioni etiche della ricerca sulle cellule staminali?
Le preoccupazioni etiche riguardano principalmente la distruzione di embrioni umani per la ricerca sulle cellule staminali embrionali. Tuttavia, le cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) offrono un'alternativa che evita la distruzione degli embrioni. Anche la clonazione tramite trasferimento nucleare solleva questioni etiche. Le normative variano da Paese a Paese e la ricerca in corso mira ad affrontare queste questioni.
Come si ottengono le cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) da un paziente?
Le cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) possono essere ottenute dal sangue, dalla pelle o dalle urine di un paziente. Per esempio, un semplice campione di urina da 30-ml fornisce cellule tubulari renali che vengono coltivate per 2 settimane e poi riprogrammate in 3-4 settimane per diventare iPSC. Questo metodo è conveniente sotto il profilo dei costi e funziona per pazienti di tutte le età e origini.
Quali sono i vantaggi dell'utilizzo delle cellule staminali dello stesso paziente per il trattamento?
L'utilizzo delle cellule staminali dello stesso paziente, come le cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) derivate dal suo sangue, dalla pelle o dalle urine, evita il rigetto immunitario perché le cellule sono geneticamente identiche al paziente. Questo approccio di trapianto autologo elimina la necessità di farmaci immunosoppressori e riduce il rischio di rigetto del trapianto.
Qual è il rischio di formazione di tumori con le cellule staminali pluripotenti indotte?
Le cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) comportano un rischio di formazione del teratoma, che è un tipo di tumore. Questa è una sfida nota nel settore. I ricercatori stanno lavorando per controllare la proliferazione e la differenziazione cellulare al fine di ridurre al minimo questo rischio prima che le iPSC possano essere utilizzate in modo sicuro nelle applicazioni cliniche.
Come vengono testate le cellule staminali per garantire che possano diventare qualsiasi tipo di cellula?
Le cellule staminali vengono testate per la pluripotenza utilizzando tre principali saggi nei topi. Il saggio di formazione del teratoma verifica se le cellule possono generare tessuti da tutti e tre i foglietti germinativi. Il saggio di formazione di chimere verifica se contribuiscono allo sviluppo e producono gameti funzionali. Il saggio di complementazione tetraploide determina se possono formare un intero organismo.
Dovrei richiedere un secondo parere prima di un trattamento con cellule staminali per una condizione come una lesione del midollo spinale o una malattia retinica?
Un secondo parere può essere prezioso prima di un trattamento con cellule staminali perché il settore si sta evolvendo rapidamente e sono in corso studi clinici per condizioni come lesioni retiniche e del midollo spinale. Specialisti diversi possono avere competenze variabili riguardo ai cinque tipi di cellule staminali, tra cui cellule staminali embrionali, pluripotenti indotte e adulte. Un secondo parere può aiutare a confermare se Lei è un candidato idoneo per una terapia sperimentale, a chiarire i rischi come la formazione del teratoma con le iPSC e ad assicurarsi che Lei comprenda le alternative. Diagnostic Detectives Network fornisce secondi pareri indipendenti di esperti.
Informazioni sulla fonte
Original Article Title: Advances in Pluripotent Stem Cells: History, Mechanisms, Technologies, and Applications
Authors: Gele Liu, Brian T. David, Matthew Trawczynski, Richard G. Fessler
Publication: Stem Cell Reviews and Reports (2020) 16:3–32
DOI: https://doi.org/10.1007/s12015-019-09935-x
Questo articolo pensato per i pazienti si basa su ricerca sottoposta a revisione paritaria e mira a rendere accessibili informazioni scientifiche complesse, preservando tutti i risultati e i dati essenziali della pubblicazione originale.
