Staminali del cordone ombelicale: primo passo verso la vittoria contro i tumori del pancreas

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1 Staminali del cordone ombelicale: primo passo verso la vittoria contro i tumori del pancreas Le staminali del cordone ombelicale sono, dall' inizio del loro utilizzo in campo medico, al centro della terapia di neoplasie del sangue, tra cui la leucemia, il linfoma o il mieloma multiplo, e di altre forme, come il glioma. Ma oggi gli scienziati stanno conducendo con successo nuove sperimentazioni su modelli animali di tumori solidi molto diffusi, che apriranno la strada alla cura di queste terribili malattie nell' uomo, in un futuro molto vicino. Nel 2010 l' annuncio riguardante la scoperta della forte azione terapeutica delle staminali cordonali contro il carcinoma dei polmoni e dei bronchi è stato seguito, nel giro di pochi mesi, dalle ricerche, in modelli animali, sulla inibizione della crescita del tumore pancreatico, ovarico, del seno e delle metastasi da esso causate. Questi clamorosi risultati si devono in gran parte all' impegno eccezionale del laboratorio del Professor Masaaki Tamura 1 e del Department of Anatomy & Physiology, presso la Kansas State University, nel College of Veterinary Medicine, a Manhattan, nello Stato del Kansas (USA). A questo gruppo di scienziati appartiene il Dottor Chiyo Doi, che con il suo team di ricercatori pubblica sul numero di Maggio 2010 di Cytotherapy un fondamentale articolo, in cui dimostra che le staminali del cordone ombelicale inibiscono l' aumento di dimensioni del carcinoma pancreatico, aumentando la sopravvivenza degli animali da esperimento trattati. Le neoplasie di questo organo sono soprannominate il killer silenzioso, non dando purtroppo sintomi precoci, e rappresentano la quarta causa di mortalità correlata al cancro negli Stati Uniti. L'adenocarcinoma duttale è la la forma più aggressiva e la più diffusa, costituendo circa il 90% dei tumori maligni primari del pancreas. I nuovi casi sono in Italia ogni anno, più di in Europa ed oltre nel mondo. Ha un alto tasso di metastasi ed è caratterizzata, in assoluto, dalla più alta mortalità tra tutte le neoplasie: tra il 95% ed il 99%, nonostante le nuove tecniche chirurgiche e chemioterapiche dello scorso decennio, che si sono rivelate del tutto inefficaci. Questo dato rende ancora più importante la sperimentazione dei ricercatori americani con le staminali del cordone ombelicale. La principale causa di questa neoplasia è il fumo, quindi una dieta ricca di grassi e carne, gengiviti e malattia periodontale, alcolici, l' obesità, l' esposizione a pesticidi e derivati del petrolio, la presenza di neoplasie del colon e del seno in famiglia, forse il diabete non insulino-dipendente e la pancreatite cronica. 2 Negli ultimi anni molti studi sulle cellule staminali stanno dimostrando le loro proprietà antitumorali. I segnali, che mediano questi effetti, sembrano essere molto simili a quelli che determinano l' arruolamento delle cellule difensive e stromali in questo tipo di tessuti. Sono state pubblicate anche un certo numero di relazioni, che provano la capacità delle staminali cordonali, modificate geneticamente, di trasportare proteine, in modo efficace, all' interno delle cellule neoplastiche oppure in aree di flogosi.

2 Già nel 2002 staminali mesenchimali del cordone ombelicale mostravano caratteristiche antitumorali, dopo interventi d' ingegneria genetica, determinando la secrezione di citochine ed interferone beta, attenuando il cancro metastatico del seno in un modello murino, a seguito d' infusione endovenosa. Recentemente gli stessi scienziati della Kansas State University hanno sperimentato l' efficacia delle staminali cordonali dei ratti, in vitro ed in vivo, contro un tipo di neoplasia della mammella. 3 Per esplorare ulteriormente le potenzialità terapeutiche precliniche di queste staminali del cordone ombelicale, il Dottor Chiyo Doi cerca di valutare la loro validità nella terapia del carcinoma pancreatico duttale intraperitoneale. In una prima parte dello studio conduce delle sperimentazioni in vitro con cellule neoplastiche pancreatiche e staminali mesenchimali cordonali di ratto. Può così constatare che la coltura contemporanea diretta dei due tipi cellulari porta ad un forte decremento di quelle tumorali pancreatiche, riducendo la crescita del cancro e inibendo la sintesi di DNA. Lo stesso risultato si ottiene anche in un apparecchio Transwell, in cui staminali cordonali e cellule tumorali non vengono in immediato contatto tra loro. Tale caratteristica sta a dimostrare che l' azione anti-cancerogena è determinata da molecole diffusibili o prodotte dalle staminali del cordone ombelicale. Questo eccezionale risultato è confermato da tre diversi saggi. Inoltre i ricercatori americani conducono un esperimento parallelo di coltura su agar soffice di staminali cordonali e cellule neoplastiche pancreatiche. La diminuzione del numero di queste ultime e delle dimensioni delle colonie prova l' inibizione anche della crescita indipendente dall' ancoraggio, caratteristica specifica della genesi neoplastica. Dai test precedenti risulterebbe che staminali del cordone ombelicale di ratto secernono alcune molecole diffusibili, responsabili della diminuzione della crescita delle cellule tumorali e del loro blocco nella fase G0 o G1 del ciclo di divisione cellulare. Non possono passare dalla fase G0, di quiescenza, con bassa attività enzimatica e senza duplicazione del DNA o sintesi proteica, oppure da quella G1, alla fase S, dove iniziano tutti quei processi interni al nucleo ed al citoplasma, che portano alla divisione della cellula neoplastica. 4 E' interessante notare che mentre queste staminali mesenchimali cordonali evidenziano una doppia azione anti-tumorale, sia dipendente dal contatto con le cellule bersaglio, che indipendente, nei confronti del carcinoma pancreatico, in passato era stato osservato che le staminali mesenchimali del midollo osseo riuscivano parzialmente ad inibire il sarcoma di Kaposi in vitro, ma solo grazie ad un contatto diretto con le cellule maligne, senza il quale non risultavano efficaci. 5 Nella seconda parte dello studio le cellule del cancro pancreatico e le staminali del cordone ombelicale sono trapiantate nel peritoneo di topi, poiché nell' uomo il tumore esaminato causa frequentemente metastasi in questo tessuto. 2 e 4 giorni dopo l' iniezione intraperitoneale delle cellule neoplastiche, i topi da esperimento ricevono 5x10 5 staminali del cordone ombelicale di ratto. E' da notare che la maggioranza di esse sono individuate nell' area del tumore pancreatico, ma non nel tessuto adiposo o sulla superficie degli organi intraperitoneali; segno che le staminali cordonali riescono ad individuare la massa tumorale come un bersaglio verso cui dirigersi e concentrarsi.

3 Un singolo trattamento inibisce l' aumento di dimensioni della neoplasia ed aumenta la sopravvivenza a breve termine degli animali da esperimento, che raggiunge la percentuale del 57% dopo 45 giorni dal trapianto, mentre, a quella data, tutti i controlli, a cui non sono state somministrate le staminali cordonali, sono morti. Con il passare dei mesi l' effetto positivo è meno evidente, ma bisogna considerare che il numero relativamente limitato di staminali del cordone ombelicale utilizzate e, soprattutto la localizzazione peritoneale del cancro. Infatti nell' uomo la percentuale di sopravvivenza sarebbe praticamente vicina allo 0%, se partendo dal pancreas si formasse una metastasi nel peritoneo, come nel modello sperimentale. L' esame fisico, riguardante l' attività ed il peso corporeo, rivela che i topi trattati con staminali cordonali sono maggiormente in salute e vitali, anche se alcuni di essi presentano complicazioni legate alla crescita tumorale. Gli scienziati della Kansas State University ipotizzano che la loro azione anti-neoplastica possa essere strettamente connessa con la produzione di fattori, che favoriscono l' apoptosi, l' autodistruzione cellulare programmata. 4 Riguardo questa possibilità un' importante relazione è stata pubblicata nel numero di Dicembre 2007 di Biology of Blood and Marrow Transplantation da Friedman e la sua equipe del Tufts-New England Medical Center, presso il Molecular Oncology Research Institute, a Boston, in Massachusetts (USA). I ricercatori americani hanno scoperto che le staminali mesenchimali del cordone ombelicale secernono significative quantità di citochine, che sono associate a effetti anti-tumorali. Tra queste il transforming growth factor beta (TGF-β) e il leukemia inhibitory factor (LIF), che favoriscono l' apoptosi, così come il tumor necrosis factor alfa (TNFα), l'interferone alfa e gamma, e l' interleuchina 1a (IL-1a). 6 Tra i prossimi studi su questi temi un posto di rilievo sarà sicuramente dato all' identificazione dei geni e dei loro prodotti, responsabili dei meccanismi molecolari, che portano le staminali cordonali ad ridurre fortemente lo sviluppo del tumore pancreatico. Questo studio del Dottor Chiyo Doi fa pensare che i geni collegati al ciclo cellulare e all' apoptosi possano essere dei buoni candidati ad avere un importante ruolo in questo processo. Tuttavia non vanno esclusi altri meccanismi, come una stimolazione del sistema immunitario dell' ospite, che potrebbero essere coinvolti nel contrasto alla crescita neoplastica in vivo. Anche queste possibilità dovranno essere investigate in un prossimo futuro. Secondo lo scienziato di Manhattan il micro-ambiente del corpo dell' ospite, incluso il sistema immunitario, potrebbe giocare un ruolo nell' aumento della sopravvivenza, osservato nelle sue sperimentazioni. Sebbene siano state utilizzate cellule tumorali e staminali del cordone ombelicale con caratteristiche perfettamente uguali in tutti gli animali da esperimento trattati, si sono riscontrate variazioni molto importanti nella risposta di ogni singolo topo. Ciò fa supporre che la reazione dell' organismo dell' ospite potrebbe giocare un ruolo critico nell' inibizione dello sviluppo di questa grave malattia. In un vicino futuro l' individuazione dei geni e dei meccanismi, coinvolti in questa sperimentazione coronata da successo, porterà alla loro applicazione alle staminali cordonali

4 umane, determinando la realizzazione di protocolli terapeutici fondamentali per la cura della neoplasia più letale per gli esseri umani. Un altro passo di rilievo afferma il Dottor Chiyo Doi sarà confrontare l' azione citotossica, ed i geni ad essa legati, delle staminali cordonali umane e di ratto. Se le prime risultassero più aggressive delle seconde verso il tumore del pancreas avremmo un' arma potente per curalo. Ma anche nell' eventualità che le staminali umane non si dimostrassero altrettanto forti nel ridurne l' aumento di dimensioni, la scoperta dei meccanismi e dei geni efficaci nelle cellule staminali di ratto permetterebbe agli scienziati di manipolare con relativa facilità l' espressione genica di quelle umane. Questa via più complessa porterebbe allo stesso risultato essenziale: vincere il cancro con la terapia cellulare basata sulle staminali del cordone ombelicale umano. I ricercatori della Kansas State University hanno osservato in questa sperimentazione che le staminali cordonali, trapiantate nel peritoneo, tendono a dirigersi dentro il tumore pancreatico o nelle sue vicinanze, dove sono state riscontrate una settimana dopo che sono state infuse. Ciò avviene grazie all' influenza delle chemochine, secrete dai tumori e dai loro tessuti stromali, che costituiscono l'impalcatura di sostegno degli organi pieni, su cui poggia il parenchima, il tessuto funzionale vero e proprio. 4 La capacità delle cellule staminali d' indirizzarsi verso un determinato bersaglio è già stata utilizzata in passato, per trasportare farmaci e raggiunge geni specifici. 7 Questa loro caratteristica nei confronti di tumori ed altre aree d' infiammazione sono state osservate in diversi studi e ben dimostrate. 89 Già allora erano state evidenziate le prove che questi meccanismi erano mediati da chemochine, prodotte dalle neoplasie e dal loro stroma. Tra loro anche fattori di crescita, come i componenti del gruppo del platelet derived growth factor (PDGF) e dell' epidermal growth factor (EGF), oltre alle classiche sostanze chemiotattiche. 10 Si è ipotizzato che l' effetto anti-tumorale sia dovuto allo xenotrapianto tra due specie diverse. Tuttavia questa tesi è contraddetta dal fatto che nei controlli degli esperimenti siano stati trapiantati fibroblasti, senza che qualcuno di questi topi sia sopravvissuto o abbia mostrato una riduzione delle dimensioni del tumore pancreatico. Invece ciò si è verificato in misura consistente, utilizzando le staminali del cordone ombelicale con semplici colture in vitro, in cui la componente immunitaria non può essere coinvolta. Per questo è probabile che anche il loro effetto in vivo sia indipendente dalla risposta immune aspecifica, indotta dallo xenotrapianto. In supporto di questa conclusione converge pure l' analisi patologica: non mostra la presenza d' infiltrazione linfocitaria nei tessuti neoplastici del pancreas. 4 Infine un indiretto sostegno a questa ipotesi consiste nell' evidenza che le staminali cordonali umane sono caratterizzate da una risposta immunitaria scarsa. 11 Sebbene nello studio del Dottor Chiyo Doi non siano stati definitivamente identificati i fattori che determinano la riduzione della crescita nelle cellule del carcinoma pancreatico in vitro ed in vivo, alcune ricerche indicano il coinvolgimento delle citochine in azioni terapeutiche simili delle staminali cordonali sul glioma del sistema nervoso 12 e del midollo osseo su carcinomi multipli. Queste ricerche avevano le stesse caratteristiche di quella della

5 Kansas State University. Da esse non risultava, per i diversi tumori, la prevalenza di una singola citochina, ma l' azione combinata di molte di esse nel determinare la morte delle cellule neoplastiche. Apparentemente la maggiore importanza di una classe di citochine rispetto alle altre sembra dipendere sia dalla classe di staminale usata, che dal tipo di cellula tumorale bersaglio. Lo stesso discorso varrebbe per limitazione dello sviluppo del carcinoma pancreatico da parte delle staminali del cordone ombelicale. 4 Tra le molte cellule multipotenti derivate da tessuti, le staminali cordonali presentano numerosi vantaggi per la terapia cellulare, anche in campo oncologico. Tra questi la loro abbondanza, la mancata espressione del CD34 e del CD45, la ridotta immunogenicità, la semplicità dei metodi di raccolta e la forte capacità d' espansione in vitro con le nuove tecniche di moltiplicazione cellulare. 13 Queste nuove scoperte degli scienziati, riuniti nel laboratorio del Professor Tamura, molto presto apriranno la strada ad importanti applicazioni cliniche per la terapia nell' uomo del tumore del pancreas e degli altri tipi di cancro. 1) Masaaki Tamura PhD, Veterinary Medicine (Biochemistry & Nutrition), Azabu Veterinary College, Japan, 1980 DVM Kitasato University College of Veterinary Medicine, Japan, 1973 Research Fellow all' Albert Einstein College of Medicine - Greater New York City Area Higher Education Attuale: Research Fellow presso la Albert Einstein College of Medicine - Writer presso la Nikkei Business Publications - Writer presso la SANKEI Precedente: Staff Doctor presso la Fukui Obstetrics and Gynecology Clinic - Clinical Fellow presso la Nihon University School of Medicine, Department of Obstetrics and Gynecology - Resident presso il Yokosuka Munincipal Hospital Obstetrics-Gynecology Residency Program 2) Associazione Italiana per la Ricerca sul Cancro - Agosto ) Ganta C, Chiyo D, Ayuzawa R, Rachakatla R, Pyle M, Andrews G, Weiss M, Tamura M, Troyer D. - Rat umbilical cord stem cells completely abolish rat mammary carcinomas with no evidence of metastasis or recurrence 100 days post-tumor cell inoculation - Cancer Res Mar 1;69(5): Epub 2009 Feb 24 4) Chiyo Doi, Dharmendra Kumar Maurya, Marla M. Pyle, Deryl Troyer, and Masaaki Tamura - Cytotherapy with naïve rat umbilical cord matrix stem cells significantly attenuates growth of murine pancreatic cancer cells and increases mouse survival in syngeneic mice - Cytotherapy May;12(3): ) Khakoo AY, Pati S, Anderson SA, Reid W, Elshal MF, Rovira II, Nguyen AT, Malide D, Combs CA, Hall G, Zhang J, Raffeld M, Rogers TB, Stetler-Stevenson W, Frank JA, Reitz M, Finkel T. - Human mesenchymal stem cells exert potent antitumorigenic effects in a model of Kaposi's sarcoma - J Exp Med May 15;203(5): Epub 2006 Apr 24 6) Friedman R, Betancur M, Boissel L, Tuncer H, Cetrulo C, Klingemann H. - Umbilical cord mesenchymal stem cells: adjuvants for human cell transplantation - Biol Blood Marrow Transplant Dec;13(12): ) Aboody KS, Najbauer J, Danks MK. - Stem and progenitor cell-mediated tumor selective gene therapy - Gene Ther May;15(10): Epub 2008 Mar 27. 8) Rachakatla RS, Marini F, Weiss ML, Tamura M, Troyer D. - Development of human umbilical cord matrix stem cell-based gene therapy for experimental lung tumors. - Cancer Gene Ther Oct;14(10): Epub 2007 Jun

6 29. 9) Hall B, Andreeff M, Marini F. - The participation of mesenchymal stem cells in tumor stroma formation and their application as targeted-gene delivery vehicles. - Handb Exp Pharmacol. 2007;(180): ) Arbab AS, Janic B, Knight RA, Anderson SA, Pawelczyk E, Rad AM, Read EJ, Pandit SD, Frank JA. - Detection of migration of locally implanted AC133+ stem cells by cellular magnetic resonance imaging with histological findings - FASEB J Sep;22(9): Epub 2008 Jun ) Weiss ML, Anderson C, Medicetty S, Seshareddy KB, Weiss RJ, VanderWerff I, Troyer D,McIntosh KR - Immune properties of human umbilical cord Wharton's jelly-derived cells - Stem Cells Nov;26(11): Epub 2008 Aug 14 12) Kang SG, Jeun SS, Lim JY, Kim SM, Yang YS, Oh WI, Huh PW, Park CK. - Cytotoxicity of human umbilical cord blood-derived mesenchymal stem cells against human malignant glioma cells. - Childs Nerv Syst Mar;24(3): Epub 2007 Oct ) Weiss ML, Troyer DL. - Stem cells in the umbilical cord.- Stem Cell Rev. 2006;2(2):

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