Le cellule staminali del cordone ombelicale aumentano la sopravvivenza e diminuiscono i sintomi nei modelli di Sclerosi Laterale Amiotrofica

Transcript

1 Le cellule staminali del cordone ombelicale aumentano la sopravvivenza e diminuiscono i sintomi nei modelli di Sclerosi Laterale Amiotrofica Il Professor Paul R. Sanberg e la sua equipe hanno pubblicato sul numero di Marzo 2011 dell' importante rivista scientifica Cell Transplantation le loro ricerche, che li portano ad attribuire alle staminali del cordone ombelicale umano un ruolo basilare nella terapia di alcune patologie del sistema nervoso ed, in particolare alla Sclerosi Laterale Amiotrofica (SLA). Lo studio è stato condotto presso il Center of Excellence for Aging & Brain Repair ed il Department of Neurosurgery and Brain Repair, della University of South Florida, a Tampa (U.S.A.), oltre che da collaboratori provenienti da tre gruppi di ricerca del settore privato, Saneron CCEL Therapeutics Inc. di Tampa, Cryo-Cell International Inc. di Oldsmar, sempre in Florida, e Cryopraxis, Cell Praxis, BioRio a Rio de Janeiro (Brasile). La University of South Florida è davvero la punta di diamante nella ricerca sulle staminali cordonali, avendo al suo attivo decine di studi di alto livello, che hanno approfodito le caratteristiche, i meccanismi e l' uso di queste preziose armi terapeutiche. Gli altri coautori dello studio erano Cyndy Davis Sanberg and Nicole Kuzmin-Nichols del Saneron CCELL Therapeutics, Inc., e Alison E. Willing, Carmelina Gemma, Paula C. Bickford, Christina Miller, and Robert Rossi, ricercatori della University of South Florida. Secondo gli scienziati americani le staminali del cordone ombelicale, come quelle derivate dal sangue mestruale, sono relativamente facili da ottenere, sembrano essere in grado di differenziarsi in molti tipi di cellule e sono immunologicamente immature, offrendo la possibilità di promuovere la sopravvivenza dei neuroni, grazie alla produzione di specifici citochine e fattori di crescita, piuttosto che svolgere un ruolo di sostituzione cellulare una volta trasfuse. Il trapianto di staminali del cordone ombelicale in numerosi modelli animali di Sclerosi Laterale Amiotrofica, ictus, Alzheimer e Sindrome di San Filippo tipo B, con infusioni singole o multiple, ha ottenuto una buona percentuale di successi e ha dimostrato il loro potenziale terapeutico di riduzione dell'infiammazione, una componente chiave di molte malattie neurodegenerative. 1 "I fattori secreti dalle cellule trapiantate erano in grado di offrire un effetto neuroprotettivo. Questo può riguardare le staminali del cordone ombelicale, secernenti fattori di crescita vascolare endoteliale (VEGF), i fattori di crescita derivati dal cervello (BDNF), e la neurotrofina-3 (NT-3), tutti potenzialmente benefici per il trattamento delle malattie neurodegenerative e dell'ictus", ha detto Cesar Borlongan, professore presso il Dipartimento di Neurochirurgia e Brain Repair. Inoltre è stata riscontrata un' azione protettiva contro la mancanza di ossigeno e di glucosio.

2 Allo stesso modo, studi su modelli animali hanno scoperto che le staminali cordonali svolgono anche un ruolo antinfiammatorio. Secondo Jun Tan, professore di psichiatria e Robert A. Silver, capo del Laboratorio Rashid di Neurobiologia dello Sviluppo al U.S.F. Silver Child Development Center, ad esempio, una delle principali cause dell'alzheimer è la deposizione di beta amiloide, una sostanza chimica che attiva la risposta immunitaria in un certo numero di tipi di cellule fondamentali del cervello, e ciò porta ad uno stato flogistico. E' probabile che le staminali del cordone ombelicale possano modificare questa risposta infiammatoria e fornire effetti benefici in modelli murini di patologie neurodegenerative ", ha detto Tan. Quando è stato studiato, il trapianto delle staminali cordonali in modelli animali di Sclerosi Laterale Amiotrofica (SLA), una malattia neurodegenerativa che ha anche una componente flogistica, ha dimostrato di contribuire a regolare la reazione infiammatoria, riducendo la microglia, le cellule cerebrali che avviano una risposta flogistica. In questo caso, i benefici delle staminali del cordone ombelicale umano iniettate erano proporzionali alle dosi. 2 Nel Giugno 2008 sempre la University of South Florida aveva già portato a termine un fondamentale studio sulla terapia della Sclerosi Laterale Amiotrofica con le cellule staminali del cordone ombelicale, pubblicato on line nel sito del PloS ONE (Public Library of Science). In esso i ricercatori di Tampa dimostravano che trapianti di questo tipo di staminali avrebbero potuto aiutare pazienti sofferenti di SLA, anche conosciuta come malattia di Lou Gehring, patologia progressiva, in cui degenerano i neuroni motori nelle corna anteriori della sostanza grigia, soprattutto nella parte cervicale del midollo spinale e nel tronco cerebrale, ma anche colpendo la corteccia e con danni diffusi tra le restanti cellule motorie. Lascia le sue vittime con una debolezza crescente ed ipotonia, che iniziano dai muscoli della mano, paralisi ed, infine, un' insufficienza respiratoria da tre a cinque anni dopo la diagnosi. Ogni anno nel mondo si manifestano nuovi casi di questa gravissima malattia, ad eziologia sconosciuta e multifattoriale, senza terapie farmacologiche adeguate. Ha una maggior prevalenza tra i maschi prima dei 65 anni, militari, sportivi, fumatori, coloro che hanno subito ripetute lesioni alla testa, nonché chi è stato esposto a pesticidi, alluminio, piombo o formaldeide e persone con una dieta molto ricca di grassi e di glutammato, che causa un' iperattività del sistema nervoso. Importanti virus ed una componente autoimmunitaria. In questo studio i ricercatori della U.S.F. hanno trapiantato staminali cordonali in un modello murino di SLA, utilizzando tre diverse dosi cellulari, basse, medie ed elevate. Tutto ciò per individuare la concentrazione di staminali cordonali ideale, per ritardare la progressione dei sintomi e aumentare il tempo di sopravvivenza. I dati sperimentali attestavano che le quantità intermedie erano le più efficaci nel prolungare la vita e nel diminuire l' evoluzione negativa della Sclerosi Laterale Amiotrofica. I nostri risultati dimostrano che il trattamento per la SLA con un' appropriata dose di staminali del cordone ombelicale umano può determinare un effetto protettivo sui motoneuroni, per mezzo del coinvolgimento attivo di queste cellule nella modulazione della risposta del sistema immunitario e quello infiammatorio dell' ospite. Ha dichiarato Svitlana

3 Garbuzova-Davis, PhD, Dsc, autore coordinatrice dello studio, professoressa del Center of Excellence for Aging and Brain Repair presso la USF. Secondo l' opinione di questi ricercatori, la regolazione dei fattori, che controllavano le reazioni immunitarie ed infiammatorie, grazie ai trapianti delle staminali cordonali, potrebbe aver portato ad un rafforzamento dei neuroni motori prossimi a morire. La stessa equipe aveva precedentemente dimostrato che l' infusione delle cellule staminali del cordone ombelicale umano diminuiva, in modo simile, la flogosi e favoriva la neuroprotezione in modelli di ictus e di morbo di Alzheimer. Questi studi preclinici indicano che le cellule staminali del cordone ombelicale umano potrebbero proteggere i motoneuroni, inibendo le risposte infiammatorie e di difesa, attraverso la diminuzione delle citochine pro-infiammatorie, attivando proteine nel cervello e nel midollo spinale, che giocano un ruolo importante nella risposta immune, hanno scritto Garbuzova-Davis ed i suoi colleghi. Le citochine pro-infiammatorie potrebbero essere dei mediatori indiretti, che favoriscono il contributo delle cellule gliali alla morte dei motoneuroni, e la loro riduzione potrebbe essere collegata alla diminuzione della microglia attivata, l' insieme delle cellule, che danno vita al complesso di difesa immunitaria attiva nel sistema nervoso centrale. Il team di ricercatori notava, tuttavia, che i particolari dei meccanismi, che determinavano alcuni benefici effetti di riparazione cellulare da parte delle staminali nella SLA, necessitavano ancora di ulteriori approfondimenti. Il fatto che la dose intermedia, e non quella più alta, di staminali cordonali ha dimostrato di essere maggiormente efficace, fa riflettere sul fatto che la quantità non vince necessariamente sulla qualità. Gli studiosi della USF ipotizzavano che la concentrazione elevata potesse essere meno valida, perché avrebbe indotto un conflitto immunologico all' interno del modello murino. Studi futuri dovranno prendere in considerazione la possibilità di iniezioni multiple con dosi minori per aiutare a trasformare questi esperimenti in trials clinici, ha affermato il coautore e direttore del Centro, Paul R. Sanberg, PhD, Dsc. Sviluppare un efficace terapia per la Sclerosi Laterale Amiotrofica è reso complesso dal carattere diffuso della morte dei neuroni motori, ha concluso la Professoressa Garbuzova- Davis. Tuttavia, la terapia cellulare con staminali cordonali potrebbe offrirci in futuro una nuova cura, davvero promettente. 3 Le prime ricerche sperimentali sulla SLA con l' uso di staminali cordonali risalgono già agli ultimi anni dello scorso secolo; come quelle del Professor Norman Ende con la sua equipe del Department of Pathology and Laboratory Medicine, presso la UMDNJ-New Jersey Medical School, a Newark, nel New Jersey (U.S.A.). Erano state divulgate con un articolo si Life Sciences nel Maggio del In precedenti studi Ende aveva scoperto che le cellule staminali del cordone ombelicale umano potevano mostrare un effetto protettivo sulla comparsa della malattia ed un allungamento del periodo di sopravvivenza in topi MRL lpr/lpr. Essi, a causa di modificazioni genetiche, determinanti alterazioni dei linfociti, avevano sviluppato una

4 patologia autoimmune simile al lupus umano. Lo scienziato ipotizzava che si fosse verificato uno xenotrapianto, realizzatosi tra specie diverse, con il ritardo nello sviluppo della malattia ed l' aumento della durata della vita degli animali da esperimento. Con la nuova ricerca si era tentato di determinare l' effetto delle staminali cordonali sui topi SOD1, che erano caratterizzati da una mutazione di un transgene umano, quello che esprimeva la CU/Zn superossido dismutasi SOD1, associato con la Sclerosi Laterale Amiotrofica. Inanzi tutto era stato dimostrato che il tasso di sopravvivenza all' irradiazione letale fosse proporzionale al numero di staminali del cordone ombelicale somministrate. In questo esperimento veniva investigato l' effetto di un quantitativo molto elevato di staminali cordonali, 34,2-35,6x10 6 cellule, su animali trattati con dosi sub-letali di radiazioni, pari ad 800 cgy, precedute dall' antikiller sera, per sopprimere l' attività citotossica dei linfociti T e NK. I topi SOD1 mostravano segni di paralisi dopo un periodo di 4 o 5 mesi. Dopo il trattamento manifestavano un significativo allungamento del periodo di sopravvivenza nei confronti dei controlli, ma anche verso un gruppo trattato con 5x10 6 staminali del midollo osseo. Questi risultati poterono, non solo dimostrare che la SLA fosse una patologia con una importante componente autoimmune, ma, soprattutto, la possibilità, per la prima volta, di una cura per una malattia così devastante. 4 Nello stesso anno questo esperimento è stato approfondito dal Professor Norman Ende, insieme al Professor R. Chen, sempre presso il Department of Pathology and Laboratory Medicine del New Jersey School of Medicine, alla University of Medicine and Dentistry di Newark. Nello studio, pubblicato sul Journal of Medicine, i due scienziati hanno confermato ed ampliato i precedenti risultati, aumentando il numero delle staminali del cordone ombelicale utilizzate: 70,2-73,3x10 6, hanno portato ad un ulteriore crescita del' intervallo di sopravvivenza dei topi SOD1. Per ottenere la grande quantità di cellule è stato raccolto il sangue da diversi donatori, ma ciò non ha avuto effetti negativi, anzi è sembrato averne di positivi sull' aumento della permanenza in vita degli animali da esperimento malati di Sclerosi Laterale Amiotrofica. 5 I primi studiosi, che hanno compreso l' importanza di una terapia combinata con fattori di crescita e staminali per la SLA sono stati il Professor Masatoshi Suzuki ed il Professor Clive N. Svendsen del Waisman Center e del Departments of Anatomy and Neurology, presso la University of Wisconsin-Madison, a Madison, in Wisconsin (U.S.A.). Nel loro articolo, apparso sul numero di Aprile 2008 di Trends in Neurosciences, hanno affermato che sicuramente alcuni fattori di crescita dovrebbero essere in grado di proteggere in modo efficace i motoneuroni gravemente danneggiati, come, nella SLA, quelli delle corna anteriori del midollo spinale e del cervello. Tuttavia la somministrazione mirata nella prima o nella seconda di queste strutture del sistema nervoso centrale è stato un problema costante. Si sono anche accumulate evidenze che le cellule gliali possano giocare un ruolo cruciale nel mantenimento delle funzioni dei motoneuroni e nella loro sopravvivenza, in caso di Sclerosi Laterale Amiotrofica. Le cellule staminali, isolate ed espanse in coltura, sono state modificate geneticamente, per poter produrre fattori di crescita e differenziarsi in cellule

5 gliali, a seguito del trapianto nel midollo spinale o nel cervello. Esse potrebbero riuscire a disintossicare il micro-ambiente intorno ai motoneuroni danneggiati e, allo stesso tempo, fornire fattori trofici. 6 Un importante applicazioni delle scoperte di Suzuki e Svendsen alle staminali del cordone ombelicale umane è stata realizzata dal Dottor Albert Rizvanov e dal suo team del Department of Histology, presso la Kazan State Medical University, a Kazan (Russia). Nel numero di Dicembre 2008 di Neurochemistry International ha dichiarato di aver modificato geneticamente staminali cordonali, per permettergli di esprimere il Fattore di Crescita Endoteliale Vascolare (VEGF) e la molecola di adesione cellulare L(1) neurale del topo (L(1)CAM). Esse sono state utilizzate per una terapia mista cellulare e genica, in un modello transgenico murino di SLA. Per poter trasportare il VEGF(165) e L(1)CAM nel patrimonio genetico delle staminali cordonali, Rizvanov ha generato plasmidi non virali, piccoli filamenti circolari di DNA, super-avvolto ed a doppia elica, che avevano la capacità di spostarsi tra le cellule. I topi transgenici sono stati divisi in tre gruppi:(1) uno, in cui sono state trapiantate staminali del cordone ombelicale geneticamente modificate, che esprimevano L(1) e VEGF; (2) un secondo, in cui venivano infuse staminali cordonali normali; (3) un terzo gruppo di controllo. Nei primi due sono state iniettate 1x10 6 cellule nella zona retro-orbitale in topi pre-sintomatici. I risultati hanno dimostrato che le staminali del cordone ombelicale si sono impiantate con successo nel tessuto nervoso dei topi malati di SLA e sono sopravvissute per oltre 3 mesi. Quindi le staminali cordonali geneticamente modificate sono migrate nel parenchima del midollo spinale, hanno proliferato, ma, invece di trasformarsi in neuroni, esse si sono differenziate in cellule endoteliali, formando nuovi vasi sanguigni, con un miglioramento dell' effetto neuro-protettivo. I ricercatori hanno concluso che l' espressione del L(1)CAM neurale è stato responsabile dell' accresciuto attecchimento e della conseguente proliferazione delle staminali cordonali trapiantate nelle aree colpite da neuro-degenerazione; l' espressione del VEGF umano ha spinto le staminali del cordone ombelicale a differenziarsi in cellule endoteliali e l' effetto neuro-protettivo poteva essere causato dal rilascio di vari fattori neurotrofici da parte dei vasi sanguigni neoformati. 7 Negli anni successivi Albert Rizvanov ha approfondito questo tipo di approccio terapeutico con i suoi collaboratori del Department of Genetics, presso la Faculty of Biology and Soil Sciences, nella Kazan Federal University, a Kazan (Russia). Sul numero di Gennaio 2011 di Experimental Biology and Medicine porta nuovi elementi, che provano i benefici dell' azione combinata con staminali cordonali e terapia genica, per la cura della Sclerosi Laterale Amiotrofica. In questa relazione sono state trasferite nei cromosomi delle staminali cordonali due strutture plasmidiche tramite electroporation o elettro-permeabilizzazione, un aumento della permeabilità e della conducibilità elettrica della membrana plasmatica cellulare, causata da un campo elettrico applicato esternamente. Essa permette di introdurre

6 i geni che esprimono contemporaneamente il Fattore di Crescita Endoteliale Vascolare 165 (VEGF 165) ed il Fattore di Crescita Fibroblastico Umano 2 (FGF2). Come nel precedente esperimento, sia queste staminali cordonali geneticamente modificate, sia quelle normali sono iniettate nell' area retro-orbitale di due gruppi diversi di ratti transgenici, pre-sintomatici per la SLA. Nel midollo spinale lombare dei roditori del secondo sono stati localizzati l' antigene nucleare umano (HNA), individuato, come i successivi markers, tramite colorazione a immunofluorescenza con anticorpi specifici. Esso dimostra l' attecchimento delle staminali cordonali non modificate, che si differenziano in cellule endoteliali, come dimostra la presenza del CD34+, oppure in microglia, confermata dall' iba1+. Invece nel primo gruppo le staminali del cordone ombelicale, che esprimono VEGF(165) e FGF(2), si trasformano in astrociti, con l'individuazione grazie alla colorazione a immunofluorescenza della proteina S100, specifica degli oligodendrociti. Si verifica una regolazione autocrina, in cui VEGF(165) e FGF(2), prodotte dalle staminali cordonali stesse, ne vanno a modificare il comportamento differenziativo. Tale regolazione, segnali molecolari, provenienti dai motoneuroni gravemente danneggiati, così come una capacità di auto-differenziazione, potrebbero generare un particolare micro-ambiente, per la trasformazione delle staminali del cordone ombelicale in astrociti. Questi, a loro volta, potrebbero servire come un' ulteriore fonte di fattori di crescita, per aumentare il potenziale di sopravvivenza delle cellule circostanti nelle regioni del sistema nervoso, dove si è sviluppata la malattia. 8 1) Sanberg PR, Eve DJ, Willing AE, Garbuzova-Davis S, Tan J, Sanberg CD, Allickson JG, Cruz LE, Borlongan CV. - The treatment of neurodegenerative disorders using umbilical cord blood and menstrual blood-derived stem cells. - Cell Transplant. 2011;20(1): Epub 2010 Sep 30. 2) SiFy.com e Agenzia ANI 08/03/2011 3) Svitlana Garbuzova-Davis, PhD, DSc, Paul R. Sanberg, PhD, DSc Cyndy Davis Sanberg and Nicole Kuzmin- Nichols, Alison E. Willing, Carmelina Gemma, Paula C. Bickford, Christina Miller, and Robert Rossi. - Improvement Seen in Mouse Model Of ALS Following Umbilical Cord Blood Cell Transplant - PloS ONE (Public Library of Science) - Jun ) Ende N, Weinstein F, Chen R, Ende M. - Human umbilical cord blood effect on sod mice (amyotrophic lateral sclerosis). - Life Sci May 26;67(1): ) Chen R, Ende N. - The potential for the use of mononuclear cells from human umbilical cord blood in the treatment of amyotrophic lateral sclerosis in SOD1 mice. - J Med. 2000;31(1-2): ) Suzuki M, Svendsen CN. - Combining growth factor and stem cell therapy for amyotrophic lateral sclerosis - Trends Neurosci Apr;31(4): Epub 2008 Mar 10. 7) Rizvanov AA, Kiyasov AP, Gaziziov IM, Yilmaz TS, Kaligin MS, Andreeva DI, Shafigullina AK,Guseva DS, Kiselev SL, Matin K, Palotás A, Islamov RR. - Human umbilical cord blood cells transfected with VEGF and L(1)CAM do not differentiate into neurons but transform into vascular endothelial cells and secrete neurotrophic factors to support neuro-genesis-a novel approach in stem cell therapy. - Neurochem Int Dec;53 (6-8): Epub 2008 Sep 26.

7 8) Rizvanov AA, Guseva DS, Salafutdinov II, Kudryashova NV, Bashirov FV, Kiyasov AP, Yalvaç ME, Gazizov IM, Kaligin MS, Sahin F, Mukhamedyarov MA, Palotás A, Islamov RR. - Genetically modified human umbilical cord blood cells expressing vascular endothelial growth factor and fibroblast growth factor 2 differentiate into glial cells after transplantation into amyotrophic lateral sclerosis transgenic mice. - Exp Biol Med (Maywood) Jan;236(1):91-8. Epub 2010 Dec 16.