Cellule Staminali:
Conoscenze pregresse
Definizione
Le cellule staminali sono degli elementi cellulari “madre” da
cui hanno origine altre cellule più mature.
Una delle loro caratteristiche primarie è quella di essere cellule
altamente indifferenziate.
Con il termine “ indifferenziate” si indica l’assenza di
caratteristiche morfologiche, antigeniche e funzionali che sono
invece tipiche delle cellule mature o differenziate a cui le
cellule staminali danno origine.
Per essere definita staminale, una cellula deve quindi godere
di : Autorinnovamento, Differenziamento e Potenza.
Autorinnovamento
L’ Autorinnovamento è stato identificato per la prima volta nel
1963 durante studi sul midollo osseo, e rappresenta la capacità di
tali cellule di compiere un numero illimitato di cicli replicativi
mantenendo sempre il medesimo stadio differenziativo.
Ciascuna cellula staminale realizza l’ autorinnovamento, o
tramite la divisione asimmetrica obbligata, oppure mediante
differenziamento stocastico ( una popolazione di cellule
staminali si conserva poiché esiste un numero pressoché uguale
di staminali che generano altre due staminali replicandosi,
accanto a staminali che invece generano due cellule destinate a
differenziarsi).
Differenziamento
Il differenziamento cellulare dipende generalmente da
cambiamenti nell’espressione genica. Normalmente da cellule
staminali nascono sia nuove cellule staminali (Autorinnovamento)
sia cellule capaci di dividersi rapidamente, ma probabilmente solo
un numero finito di volte, che cominciano anche il processo di
differenziamento: queste ultime costituiscono il cosiddetto
compartimento di espansione del tessuto.
Il differenziamento è il processo mediante il quale una cellula
diventa diversa dalla sua progenitrice e dalle altre cellule figlie
della stessa progenitrice. L’ultima parte del differenziamento, che
si compie dopo che è cessata l’attività proliferativa, si definisce
differenziamento terminale.
Divisione cellulare
Per capire al meglio la “staminalità” di queste cellule bisogna comprendere la loro
capacità di produrre cellule più specializzate, diverse da loro stesse. Le radici di questa
eccezionale proprietà vanno ricercate nel processo di duplicazione cellulare:
1. Divisione asimmetrica: le cellule normali seguono un ciclo cellulare che consiste in
5 fasi: la fase G1 dove il materiale cellulare si accresce, la fase S dove il DNA vieni
duplicato, la fase G2 dove avvengono gli ultimi preparativi per la divisione
cellulare. Infine c’è la fase mitotica (fase M) dove avviene la divisione cellulare.
Alla fine della mitosi nascono due cellule figlie identiche alla cellula madre che le
ha generate.
Invece, le cellule staminali si riproducono sempre per divisione cellulare ma,
anziché dare vita a due cellule identiche tra di loro danno vita a due cellule figlie
diverse da loro. La divisione delle cellule staminali è detta divisione asimmetrica.
La divisione asimmetrica consiste in diverse fasi:
- il ciclo cellulare procede in modo analogo alle cellule normali nelle fasi G1, S e
G2. All’inizio della fase mitotica avviene un processo diverso: la cellula anziché
dividersi in due cellule figlie identiche, da vite a due cellule diverse tra loro. Una
cellula figlia uguale alla cellula che l’ha generata e un’altra detta cellula di transito
che inizia il processo di differenziazione.
A questo punto:
•La cellula figlia staminale prende il posto della cellula che l’ha generata.
•La cellula di transito inizia a migrare verso il luogo dove c’è bisogno di nuove cellule
mature, e durante questo percorso effettua numerose divisioni.
In questo modo:
•A partire da una singola cellula staminale si sono prodotte numerose cellule
differenziate che hanno rinnovato i tessuti
•La cellula staminale figlia si è generata grazie ad una sola divisione cellulare
rendendo così minima la possibilità di errori di copiatura del codice genetico.
La sola divisione asimmetrica non dà la possibilità alle staminali di aumentare di
numero. Per permettere alle staminali di aumentare o diminuire il loro numero il
nostro organismo utilizza la divisione simmetrica.
2. La divisione simmetrica: in una divisione detta simmetrica le due cellule figlie
sono uguali tra loro e sono, alternativamente, due staminali o due cellule chiamate
di transito o “differenzianti”. Se il numero di questi due tipi di divisione simmetrica è
uguale la quantità di staminali diventa costante, a prescindere da quante divisioni
totali avvengono. Il meccanismo è vantaggioso rispetto alla divisione asimmetrica,
perché è flessibile. Infatti, se delle staminali sono distrutte, i segnali che la loro
morte rilascia nel tessuto fanno aumentare le divisioni che generano soltanto
staminali (amplificazione) fino alla sostituzione di quelle distrutte. Poi le cellule
tornano in stato di automantenimento.
Divisione cellulare
Divisione simmetrica
Divisione asimmetrica
Potenzialità delle cellule staminali
Abbiamo introdotto il concetto di differenziamento cellulare relativo
alle cellule staminali. La progenie che una famiglia di cellule staminali
può generare definisce la potenzialità di quella famiglia di cellule. In
base a quest’ultima caratteristica, possiamo suddividere le cellule
staminali in vari gruppi:
• Cellule Staminali Totipotenti
• Cellule Staminali Pluripotenti (Staminali Embrionali)
• Cellule Staminali Multipotenti (Staminali Somatiche)
• Cellule Pluripotenti Indotte
CELLULE STAMINALI TOTIPOTENTI
Totipotenza: la capacità di una singola cellula di dividersi e produrre
tutte le cellule differenziate in un organismo, compresi i tessuti
extraembrionali. Le cellule staminali totipotenti sono le spore (nei
funghi) e gli Zigoti. In alcuni organismi, le cellule già differenziate
possono ritrovare la totipotenza. Ad esempio nelle coltivazioni in vitro
di tessuti vegetali. Nei mammiferi è conosciuta una singola cellula
totipotente, denominata zigote; già fra la terza e la quarta divisione
cellulare, le cellule iniziano a perdere la loro totipotenza. A questo
punto avviene la formazione della morula , così chiamata perché l’uovo
fecondato assume la forma di una piccola mora, composta all’incirca
da sedici cellule.
CELLULE STAMINALI PLURIPOTENTI
Dopo la fecondazione, le
cellule totipotenti danno
origine alla blastocisti, una
sfera di cellule. Le cellule
superficiali daranno origine
ai tessuti di supporto del
feto, le cellule interne
formeranno i tessuti del
corpo. A differenza delle
cellule totipotenti, queste
cellule non sono in grado di
originare un intero
organismo ma soltanto i
singoli tessuti. Questi tipi di
cellule vengono dette
pluripotenti.
CELLULE STAMINALI MULTIPOTENTI
La potenzialità di differenziarsi nei vari tipi o linee cellulari.
Multipotenza: il potenziale di
differenziarsi in un numero limitato
di lignaggi cellulari; sono anche
dette «cellule progenitrici». Un
esempio di una cellula staminale
multipotente è una cellula
ematopoietica (una cellula
staminale del sangue) la quale può
svilupparsi in diversi tipi di cellule
del sangue, ma non può svilupparsi
in cellule cerebrali o altri tipi di
cellule al di fuori dei tipi di cellule
appartenenti al tessuto del sangue.
Sono cellule considerate essere
permanentemente impegnate ad
una funzione tissutale specifica.
CELLULE STAMINALI
PLURIPOTENTI INDOTTE
Nel 2006, in Giappone, alcuni
ricercatori riuscirono a
riprogrammare cellule adulte fino
a farle regredire al loro stato di
cellule pluripotenti, simili alle
cellule embrionali. Questo nuovo
tipo di staminali prese il nome di
cellule pluripotenti indotte (iPS).
La scoperta delle pluripotenti
indotte aprì nuove strade alla
ricerca sulle staminali. Un
ulteriore passo fu compiuto nel
2010 quando, sempre con
l’ausilio della riprogrammazione
cellulare, si riuscì a convertire
cellule di un tessuto in altre di un
tessuto diverso.
Nicchia staminale
Definizione: E' definita nicchia staminale
una regione tessutale in cui è ricreato
l'ambiente embrionale
●Le cellule staminali si trovano nella nicchia emopoietica, nel
midollo osseo. Le parte più vicina all’osso è costituita dalle cellule
staminali vere e proprie, che non hanno caratteristiche definite e si
dicono dormienti. Questo perché l’osso, distante dal sistema
cardiovascolare, non riceve ossigeno per queste cellule. Queste
cellule possono essere stimolate da tutto il corpo, perché servono
appunto per riparare. Quando si risvegliano si moltiplicano, una
cellula diventerà dormiente e una inizierà il suo compito.
●Il concetto di nicchia staminale ematopoietica
fu proposto per la prima volta nel 1978 da
Schofield per descrivere un sito specifico nei
tessuti maturi in cui si trovano le cellule
staminali e dove queste vanno incontro ad auto
rinnovamento e differenziazione.
Strutturalmente , la nicchia è formata da cellule
di sostegno che forniscono un microambiente
per le cellule staminali oltre che dalle molecole
segnale emanate da tali cellule.
Cellule staminali embrionali
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.
Cellule staminali fetali
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
tumori genico . Inoltre, come le
staminali adulte Il loro utilizzo non
presenta problemi etici, in quanto per
reperirle si possono utilizzare i feti
abortiti spontaneamente.
Cellule staminali cordone ombelicale
Le cellule staminali del cordone ombelicale sono cellule indifferenziate presenti nel sangue
cordonale.
Sono stati individuati diversi tipi di cellule staminali cordone ombelicale:
• Staminali cordonali simil-embrionali:
Possono generare le cellule che compongono tutti i tessuti e gli organi di un individuo
formato completamente ad esempio la pelle, il cuore, i polmoni ecc.
• Staminali cordonali ematopoietiche:
Generano, differenziandosi, sia le cellule del midollo osseo che del sangue ( globuli rossi,
linfociti)
• Staminali cordonali mesenchimali:
Capaci di dare origine a tessuti adiposi, cartilaginei, ossei a cellule nervose e mesoderma
viscerale.
• Staminali cordonali progenitrici endoteliali:
In grado di originare le cellule dei vasi sanguigni.
Uso clinico delle Cellule Staminali
Le staminali sono cellule immature con una forte capacità proliferativa in grado di
trasformarsi in numerosi tipi cellulari.
È quindi possibile ottenere diversi tipi neuronali a partire da colture di cellule
staminali.
Si distinguono tre forme di utilizzo delle cellule staminali in campo medico:
1. possono essere utilizzate direttamente a scopo terapeutico;
2. possono essere utilizzate nella ricerca farmaceutica per effettuare il cosiddetto
«drug screening» (ricerca di sostanze efficaci a fini terapeutici);
3. possono essere usate come sistemi modello per studiare determinate malattie.
Il trapianto
Dal midollo osseo e dal sangue le staminali possono essere selezionate ed estratte.
Successivamente le cellule selezionate possono essere trasfuse direttamente ai pazienti
per rigenerare ad esempio il midollo osseo, oppure, stimolate a trasformarsi in cellule
mature appartenenti a un particolare organo o tessuto.
1. Quando le cellule staminali reinfuse sono quelle del paziente stesso, il trapianto si
definisce autologo. Si effettua necessariamente nelle patologie di origine genetica,
accertando che siano compatibili. La probabilità che due soggetti non consanguinei
siano compatibili è ca. 1/50.000.
2. Quando le cellule staminali provengono da un donatore, il trapianto si
definisce allogenico o eterologo. Si dice intra-familiare quando il donatore è
un componente della famiglia. La probabilità che due soggetti consanguinei
siano compatibili è di ca. 1/4 tra fratelli-sorelle.
Tale tipo di trapianto richiede
l’esecuzione, prima del trapianto,
di un processo di eliminazione del
sistema immunitario del ricevente
al fine di minimizzare i rischi di
attacco immunitario delle cellule
del ricevente verso le staminali
trapiantate del donatore, processo
che porterebbe al rigetto delle
staminali trapiantate. Questo
processo di eliminazione del
sistema immune nel ricevente è
definito come mieloablazione.
Patologie attualmente trattabili
In Italia, il Ministero del Lavoro, della Salute e delle Politiche Sociali, con il Decreto del
18 Novembre 2009, ha pubblicato un elenco di patologie per il trattamento delle quali
è consolidato l'uso di staminali ematopoietiche ed è opportuna la raccolta (e
conservazione) delle cellule staminali del cordone ombelicale.
L’uso autologo è eseguito nei casi di patologie non genetiche ed è consigliato come
prima scelta nei seguenti casi:
Studi clinici e ricerche promettenti
I primi trattamenti con cellule staminali sono stati finalizzati a incentivare la
rigenerazione del miocardio dopo un infarto. Nella maggior parte degli studi vengono
applicate cellule staminali prelevate dal midollo spinale (per es. mediante iniezione nel
miocardio).
I risultati finora ottenuti indicano un miglioramento parziale della funzione di
pompa del cuore e dell'irrorazione sanguigna del miocardio. Tuttavia non vi è
ancora certezza sul fatto che le staminali applicate si differenzino effettivamente
in cellule del miocardio.
Studi clinici e ricerche promettenti
Grazie al grande potenziale terapeutico, negli ultimi
anni la ricerca sulle staminali è diventata un settore di
forte richiamo.
La maggior parte dei progetti si concentra tuttora sulla
ricerca di base e fa ricorso principalmente alla
sperimentazione animale.
Se si escludono le terapie basate sulle cellule staminali
emopoietiche, al momento nessun altro trattamento
basato su queste cellule si è affermato nella pratica
clinica.
Sulla scia degli sviluppi della ricerca medica sulle staminali, negli ultimi anni numerosi
istituti hanno messo sul mercato terapie non testate basate sull'impiego di cellule
staminali del proprio organismo con cui affermano di poter combattere svariate malattie.
Riguardo all'efficacia di questi trattamenti, di solito molto costosi, non esistono prove
scientifiche.
Terapie possibili nel futuro
In questi ultimi anni, i tentativi di terapia con cellule staminali adulte, prelevate dal midollo
osseo, sono state effettuate nelle cliniche universitarie. Ciò significa che, a differenza della
sperimentazione animale con le cellule staminali embrionali, le cellule staminali adulte
sono, in parte, clinicamente testati.
Le possibili terapie future riguarderanno in particolare:
Potenziale cura delle malattie degenerative del sistema nervoso (morbo di Parkinson,
morbo di Alzheimer, sclerosi multipla)
Ricostruzione del midollo spinale danneggiato da traumi fisici
Malattie muscolo-scheletriche
Ricostruzione del tessuto cardiaco dopo infarto.
ETICA
È moralmente lecito produrre e/o utilizzare embrioni umani
viventi per la preparazione di cellule staminali?
Sulla base di una corretta e completa analisi, l’embrione umano
vivente è un soggetto umano con una ben definita identità, il
quale incomincia da quel punto il suo sviluppo, tale che in
nessuno stadio ulteriore può essere considerato come un
semplice accumulo di cellule.
Secondo la Chiesa: embrione uguale vita e come «individuo
umano» ha diritto alla sua propria vita e, perciò, ogni intervento
che non sia a favore dello stesso embrione, si costituisce come
lesione di tale diritto.
Perché SI
La blastocisti è solo un
gruppo di cellule
microscopiche che vengono
considerate vitali.
Si potranno curare
moltissime malattie come
il morbo di Alzheimer e i
tumori.
Le cellule staminali adulte
potrebbero dare risultati
simili a quelle embrionali.
Perchè NO
Le cellule embrionali
possono provocare
teratomi,ossia tumori
embrionali.
Le cellule staminali
embrionali sono
difficilmente
controllabili nei loro
processi di sviluppo.
Le cellule staminali
embrionali
non si possono utilizzare per
la ricerca perché dal
momento della
fecondazione, l'embrione è
un individuo nuovo, dotato
di un suo codice genetico, e
quindi la legge lo tutela.
Storia delle staminali
Una data importante per la medicina rigenerativa è il 1909, quando lo scienziato russoamericano Alexander A. Maximov proponeva il termine di cellule staminali, studiando le
cellule progenitrici ematopoietiche. Tuttavia, solo nel 1963 a cura dei ricercatori canadesi
A. Ernest McCulloch e James Till vi fu la prima descrizione quantitativa delle attività di
auto-rinnovamento delle cellule trapiantate del midollo osseo nel topo.
Un’applicazione importante per la ricerca sulle cellule staminali fu il trapianto di midollo
osseo con staminali adulte che, nei primi anni del 1900, i medici provarono a
somministrare ai pazienti con anemia e leucemia per via orale.
Esperimenti di laboratorio alla fine dimostrarono che i topi con midollo alterato potevano
essere curati con infusi del sangue di midollo prelevati da altri topi. Questo portò i medici a
pensare che il trapianto di midollo osseo da un essere umano ad un altro (trapianto
allogenico) era possibile.
Tra i primi tentativi numerosi furono quelli effettuati in Francia alla fine degli anni ‘50 a
seguito di un incidente nucleare.
Trapianti di midollo nell’uomo su larga scala non furono comunque realizzati fino a quando
nel 1958 il medico ricercatore francese Jean Dausset individuò il primo degli antigeni
d’istocompatibilità umani, proteine che danno al sistema immunitario la capacità di
determinare ciò che non appartiene al corpo e creare anticorpi.
Per evitare il problema del rigetto, i primi trapianti di midollo furono effettuati tra gemelli,
proprio perché tra loro vi è totale compatibilità immunitaria.
Solo dopo studi approfonditi d’immunologia, un gruppo di medici eseguì, nel 1973, il primo
trapianto tra persone senza rapporti di parentela.
Dal primo trapianto a oggi molte furono le scoperte nel campo della rigenerazione che
portarono alla scoperta delle cellule staminali ematopoietiche nel cordone ombelicale
umano e alla derivazione di cellule embrionali staminali di topo dalla massa cellulare
interna ad opera degli scienziati Martin Evans, Matthew Kaufman, e Gail R. Martin che
coniò il termine “cellule staminali embrionali”.
Nel 1998, James Thompson dell’università di Wisconsin - Madison isolò le cellule
staminali embrionali da blastocisti e sviluppò le prime linee di cellule staminali
embrionali.
Le blastocisti utilizzate per la ricerca sulle cellule staminali umane in genere provengono
dalle tecniche di fecondazione in vitro (IVF) . Vi è però, in campo scientifico, una
preoccupazione di ordine etico sulle ricerche che utilizzano cellule staminali embrionali.
La soluzione sembrò arrivare dalla scoperta di cellule staminali pluripotenti indotte (IPS)
realizzata nel 2005 dal gruppo condotto da Shinya Yamanaka dell’università di Kyoto.
Lo stesso gruppo, nel giugno 2007 ottenne con successo la riprogrammazione dei
fibroblasti di topo in IPS, in grado di curare nei topi di laboratorio il morbo di Parkinson;
questo fu citato come un grande avanzamento nel campo della ricerca sulle staminali, in
quanto consente la possibilità di ottenere staminali pluripotenti senza sfruttare le
staminali embrionali, il cui uso è ancora oggetto di controversie.
Negli ultimi anni gli studi sulle iPS sono aumentati, grazie alla loro capacità unica di autorinnovarsi e di differenziarsi in qualsiasi altro tipo di cellula del corpo umano, una
caratteristica preziosa per il futuro della medicina rigenerativa.
ASPETTATIVE
Le ricerche sulle cellule staminali aprono nuovi orizzonti per la medicina, ma
sollevano anche grande preoccupazione sulle possibili manipolazioni genetiche.
La tecnologia genetica dovrebbe permettere all'umanità di compiere un balzo
spettacolare nella cura o nella prevenzione delle più terribili malattie: Parkinson,
Alzheimer, diabete, cancro, infarto al miocardo e numerose altre ancora. Buona
parte delle ricerche in questo campo si concentrano sulle cosiddette "cellule
staminali“.
Le aspettative sono enormi, ma i primi frutti di queste ricerche sono attesi soltanto
tra una ventina d'anni e, inoltre, bisognerà convincere un'opinione pubblica
piuttosto scettica.
Le sperimentazioni sulle cellule staminali, come ogni altro aspetto della
tecnologia genetica, sollevano anche grandi timori e preoccupazioni.
Una conferma sia dei timori che delle aspettative è emersa anche dalle tavole
rotonde (publifocus) organizzate negli ultimi mesi dal Centro per la valutazione
delle scelte tecnologiche (TA-SWISS)
Una cinquantina di persone, tra cui anche esperti di scienza ed etica, hanno
preso parte ai 6 publifocus nei mesi di aprile e maggio. Un'occasione quindi per
tastare il polso della popolazione su una tematica estremamente complessa e
delicata.
“LA TESTA DICE SI, IL CUORE DICE NO”
Con questa frase i responsabili dei publifocus hanno voluto sintetizzare le
indicazioni provenienti da questi "mini-sondaggi". Da un lato si nutrono
infatti grandi speranze nei confronti di queste possibili applicazioni della
medicina, dall'altro rimangono chiaramente numerose riserve di natura
soprattutto etica.
Le tavole rotonde hanno evidenziato 4 principali visioni da
parte dei partecipanti:
ottimismo nei confronti dei progressi della scienza
rifiuto di principio di ogni manipolazione
rassegnazione nei confronti dell'evoluzione scientifica
accettazione condizionata al rispetto di regole ben precise.
Liceo scientifico “Alfred Nobel”
Classe III G- Torre Del Greco (NA)
