Staminali, cellule

Le cellule staminali sono cellule non specializzate, immature, non ancora in grado di svolgere una precisa funzione come componenti di un certo organo (per esempio cuore, fegato, rene, cervello). Esse però sono in grado di trasformarsi in cellule mature e di dare origine ai tessuti agli organi del corpo umano.

Le cellule staminali si automantengono Si tratta di una caratteristica basilare delle cellule staminali che hanno la capacità, quando si replicano, di generare sempre un gruppo di cellule-figlie che presenta le caratteristiche iniziali di immaturità: un sistema dunque funzionante come una sorta di “serbatoio” che non si esaurisce.

Le cellule staminali sanno specializzarsi A ogni divisione cellulare, una parte delle cellule staminali matura acquisendo funzioni specializzate: si generano cioè cellule in grado di funzionare come cellule del sangue, dei muscoli, del pancreas o di altri organi del corpo umano. Questo processo può avvenire o per stimoli fisiologici, cioè seguendo i processi e i meccanismi che normalmente regolano lo sviluppo degli organi e la formazione dei tessuti, o a seguito di stimoli patologici quali un trauma o una malattia, i quali danneggiano un tessuto e richiedono quindi nuove cellule per la sua riparazione.

Cellule staminali embrionali

Una frequente fonte di confusione risiede nell’utilizzo dell’espressione cellula staminale per indicare sia le cellule staminali embrionali sia quelle adulte. L’accomunamento improprio di queste entità può generare inaccuratezze sia nella descrizione delle proprietà biologiche di queste cellule, sia nei dibattiti di natura etica che si sviluppano sempre più spesso intorno a questo tipo di ricerca.

Le cellule staminali embrionali derivano dalla cosiddetta massa interna cellulare della blastocisti (termine con cui si indica l’embrione umano nei primi 4-5 giorni di vita).

Le cellule staminali embrionali sono pluripotenti e danno origine a tre strutture embrionali principali, dette foglietti germinativi (ectoderma, endoderma e mesoderma), dai quali si genereranno tutti gli organi e tutti i tipi di cellule presenti nel corpo umano.

La massa interna cellulare di un embrione può essere artificialmente isolata in laboratorio, a partire da embrioni creati da processi di fertilizzazione in vitro, e trasferita in una “piastra” dove le cellule staminali vengono nutrite e possono essere coltivate ed espanse dai ricercatori. Da poche decine di migliaia di cellule iniziali si ottengono in questo modo molti milioni di cellule pluripopotenti che possono essere utilizzate a fini di ricerca, congelate e conservate indefinitamente. Oltre che sulla base della loro funzione, le cellule staminali embrionali possono essere identificate da alcune sostanze presenti sulla loro membrana esterna e dalla presenza di particolari proteine (fattori intracellulari di trascrizione) che mantengono le cellule staminali in uno stato indifferenziato.

Gli scienziati stanno attualmente cercando di riprodurre e controllare in laboratorio la precisa differenziazione delle cellule staminali embrionali in cellule mature (cellule muscolari, nervose, del sangue e così via). Essi cercano di ottenere questo importante obiettivo modificando la composizione chimica del terreno di coltura, ossia del mezzo nel quale le cellule vengono tenute e nutrite, oppure modificando condizioni ambientali quali la superficie delle piastre di coltura, o ancora inserendo particolari geni nelle cellule. La pluripotenza (ossia la capacità di differenziarsi in qualsiasi tipo di altra cellula “specializzata”) e la capacità di essere espanse quasi all’infinito fanno delle cellule staminali embrionali un’affascinante risorsa, per il momento soltanto teorica, per la medicina rigenerativa che si occupa della riparazione di organi e tessuti danneggiati da traumi o malattie.

Cellule staminali adulte (o somatiche)

Le cellule staminali adulte sono cellule indifferenziate, quindi non ancora specializzate, che si trovano in organi e tessuti già “maturi” sia negli adulti sia nei bambini: recentemente vengono indicate con il (più preciso) nome di cellule staminali somatiche.

La funzione primaria delle cellule staminali adulte è quindi quella di fungere da serbatoio di nuovi elementi cellulari di un determinato tessuto, provvedendo al suo mantenimento strutturale e alla riparazione di eventuali perdite dovute a traumi o patologie. A differenza delle cellule staminali embrionali, la precisa origine delle cellule staminali adulte non è stata ancora accertata né è chiaro perché il loro numero all’interno di ogni tessuto sia estremamente ridotto e confinato in particolari aree (o nicchie) dei vari organi. In tali zone le staminali possono rimanere a lungo quiescenti, cioè in uno stato di riposo, senza andare incontro a duplicazioni, fino a quando non vengono attivate e “reclutate” da determinati stimoli quali un normale rimaneggiamento strutturale, un trauma o una particolare malattia.

La storia della ricerca sulle cellule staminali adulte inizia negli anni ’60 del ’900 con la scoperta che cellule del midollo osseo (cellule staminali emopoietiche o ematopoietiche) erano in grado di dare origine a tutte le cellule mature circolanti nel sangue contenuto nelle vene e nelle arterie del corpo umano.

Negli ultimi anni è cresciuto enormemente il numero dei tessuti nei quali sono state individuate cellule staminali (sangue, cervello, cute, cuore, fegato), ma riscontri di cellule staminali sono stati riportati in quasi tutti gli organi.

La ricerca nell’ambito della medicina rigenerativa ha conseguentemente risentito di un forte entusiasmo, a causa delle potenziali implicazioni di queste scoperte nello studio di nuovi trattamenti per malattie quali l’infarto cardiaco, le ischemie, il morbo di Parkinson, la malattia di Alzheimer, forme di distrofia muscolare, malattie del fegato ecc.

Normalmente la sostituzione di cellule morte e la ripazione di un tessuto danneggiato o malfunzionante è operata da cellule staminali che risiedono nel tessuto stesso: in altre parole, le cellule staminali della cute rimpiazzano le perdite di pelle, le cellule staminali neurali possono dare vita a nuove cellule nervose nel cervello e così via.

Recentemente questo concetto è stato messo parzialmente in discussione, dopo aver scoperto che cellule staminali che risiedono normalmente in un determinato distretto, per esempio nel midollo osseo, sono in grado di trasformarsi – oltre che nelle cellule del sangue – anche in cellule mature diverse dall’organo di appartenenza, per esempio diventando cellule del cuore o del tessuto nervoso. Questa capacità viene definita transdifferenziazione e lo sfruttamento in ambito medico di tale proprietà amplifica ulteriormente le potenzialità terapeutiche delle cellule staminali.

L’utilizzo in medicina di strategie terapeutiche comprendenti cellule staminali è cominciato dal trapianto di midollo osseo, inizialmente concepito per curare patologie ematologiche, e si sta sempre più allargando ad altre patologie sfruttando in gran parte proprio la suddetta capacità di transdifferenziazione delle cellule staminali.

Trapianto di cellule staminali nelle malattie del sangue

Le cellule staminali adulte meglio caratterizzate sono quelle emopoietiche, cioè le progenitrici di tutte le cellule che circolano nel sangue (globuli bianchi, globuli rossi, piastrine) e per questo il loro utilizzo nella pratica clinica è ormai affermato. Il trapianto di cellule staminali emopoietiche si è rivelato fondamentale negli ultimi 30 anni nel curare malattie caratterizzate dal malfunzionamento del midollo osseo, immunodeficienze, leucemie e altre forme tumorali.

In breve, tale approccio consiste nell’infondere in un paziente cellule staminali emopoietiche prelevabili dal midollo osseo, dal sangue periferico e, per ora solo nei bambini, anche da sangue del cordone ombelicale. Il trapianto viene sempre preceduto da un trattamento, con farmaci o con radioterapia, allo scopo di distruggere tutte le cellule malate e impiantare dei progenitori nuovi (le cellule staminali emopoietiche, appunto) in grado, nel giro di qualche settimana, di stabilirsi all’interno del midollo osseo del paziente e produrre cellule circolanti (globuli rossi, globuli bianchi, piastrine) nuove e principalmente sane. Un effetto positivo aggiuntivo, contro alcune forme di tumori, è dato dal fatto che le cellule staminali trapiantate alimenteranno una reazione immunitaria che aiuterà a combattere le cellule del tumore.

In generale, se le cellule staminali vengono prelevate da un donatore sano, diverso dal paziente, si parla di trapianto allogenico; si parla invece di trapianto autologo nel caso in cui le cellule staminali vengono raccolte dallo stesso paziente, in un momento precedente, e opportunamente conservate tramite congelamento. Nonostante i grandi successi degli ultimi decenni, rimangono ancora molti gli elementi oggetto di studi e ricerche allo scopo di ridurre gli attuali rischi connessi al trapianto e aumentarne l’efficacia. Il trapianto di cellule staminali emopoietiche è una sorta di modello e di riferimento biologico fondamentale per tutte le nuove frontiere terapeutiche che prevedano l’utilizzo di cellule staminali adulte.

Cellule staminali e cuore

Gli studi che valutano la possibilità di utilizzare cellule staminali per il trattamento delle malattie cardiache sono numerosi e promettenti, anche considerando la grande diffusione il conseguente impatto negativo sulla salute delle persone di tutto il mondo di patologie quali l’infarto del miocardio.

Di recente sono state individuate cellule cardiache con caratteristiche staminali, ovvero cellule immature presenti nel cuore e in grado di trasformarsi in cellule cardiache specializzate per sostituire elementi danneggiati. Sembra che queste cellule siano stimolate a proliferare e a maturare da eventi quali l’infarto cardiaco, proprio nel tentativo di riparare almeno in parte il danno subito dal cuore. Le cellule staminali cardiache sembrano inoltre in grado di generare non solo cellule del muscolo cardiaco ma anche i vasi sanguigni (le coronarie) che nutrono il cuore stesso.

L’attuale ricerca mira allo sviluppo clinico di queste scoperte, e quindi alla possibilità che le cellule staminali cardiache possano essere prelevate con una biopsia, espanse e potenziate in laboratorio e quindi reinfuse nello stesso paziente allo scopo di riparare i danni causati da un infarto: una vero e proprio “trapianto autologo” di cellule staminali cardiache.

Un altro approccio sta esplorando l’utilizzo di cellule staminali emopoietiche, derivate dal midollo osseo o anche dal sangue. I primi risultati sperimentali hanno mostrato che tali cellule, prelevate da un paziente e iniettate in vena o direttamente nel cuore, possono ridurre i danni dell’infarto, favorire la rivascolarizzaione e migliorare la funzionalità del cuore.

Cellule staminali e sistema nervoso

Cellule con caratteristiche staminali sono state scoperte in piccole zone del cervello: tali cellule sono in grado di maturare e dare origine sia ai neuroni, le principali cellule del cervello e del sistema nervoso, sia ad altre strutture (tessuto connettivo, glia) di fondamentale importanza per il corretto funzionamento del cervello e del sistema nervoso in generale. Viene smentita quindi la vecchia concezione che vedeva i neuroni come cellule a numero limitato che, una volta morte, non potevano essere rimpiazzate.

Lo studio delle cellule staminali del sistema nervoso è ancora agli inizi ma la loro capacità di ricostituire strutture del cervello e dei nervi ne esprime il grandissimo potenziale per nuovi trattamenti di malattie a questo livello.

Alcuni promettenti modelli sperimentali, soprattutto in animali, hanno mostrato la possibilità di trapiantare cellule staminali neuronali per ottenere un miglioramento di danni provocati da ictus o da traumi al midollo spinale.

Altra applicazione sono le malattie degenerative, quali il morbo di Parkinson o di Alzheimer, o malattie come la sclerosi multipla. Va comunque sempre ricordato che, se i risultati esaltanti spesso ottenuti in laboratorio o su modelli animali sono fondamentali per l’avanzamento della ricerca, il tentativo di una loro applicazione agli esseri umani si scontra con innumerovoli difficoltà, generate dalle numerose incognite biologiche ancora da risolvere e dagli ostacoli tecnici che restano da superare.

Un approccio alternativo è basato sull’osservazione che cellule staminali emopoietiche possono trasformarsi in cellule nervose. Come sappiamo, i trapianti di midollo osseo sono una procedura tecnicamente più semplice e consolidata e quindi ricerche in questo senso aprirebbero nuove prospettive anche per le patologie del sistema nervoso.

Cellule staminali e cute

La pelle, tessuto complesso costituito da varie strutture quali l’epidermide, i follicoli piliferi e le ghiandole, è particolarmente esposta a traumi in quanto costituisce il primo strato che mette in contatto l’organismo con il mondo esterno.

Nella cute sono state individuate cellule staminali di due tipi: quelle specifiche o unipotenti, in grado di generare e rinnovare solo una certa parte del tessuto cutaneo (per esempio peli e ghiandole), e quelle multipotenti, che fungono invece da riserva generale ed entrerebbero in gioco in occasione di traumi che determinano perdita estesa di tessuto cutaneo e, quindi, la necessità di una sua rigenerazione massiva. Le cellule staminali cutanee, proprio per la loro localizzazione, sono facilmente accessibili e questa è una caratteristica estremamente favorevole per future applicazioni mediche. Potenzialità per un loro futuro utilizzo terapeutico sono ovviamente le situazioni dove si verifica una grave perdita cutanea, come accade per esempio nei soggetti con gravi ed estese ustioni.

Altre possibilità

In aggiunta alle possibili applicazioni sopra descritte, numerose altre strategie basate sull’utilizzo di cellule staminali sono al vaglio della ricerca con risultati promettenti, anche se ancora di tipo sperimentale: esempi sono le cellule staminali epatiche per il trattamento di malattie del fegato o le cellule staminali del pancreas utilizzate per il diabete. Sempre più vaste si confermano poi le potenziali applicazioni di cellule staminali del midollo osseo, con effetti benefici osservati in modelli di distrofia muscolare, malattie della retina, ma anche patologie degenerative delle ossa e del fegato.