I DIRITTI CONTESI IL VIAGGIO DELLE CELLULE STAMINALI DALLA BIOLOGIA AL TRAPIANTO

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1 COMITATO PER LE PARI OPPORTUNITà DELL ORDINE DEGLI AVVOCATI DI BARI in collaborazione con Osservatorio nazionale sul diritto di famiglia Avvocati di famiglia - Sezione Bari I DIRITTI CONTESI Bari, 21 febbraio 2011 IL VIAGGIO DELLE CELLULE STAMINALI DALLA BIOLOGIA AL TRAPIANTO Le cellule staminali Le cellule staminali sono definite come una popolazione di cellule indifferenziate dotate della capacità sia di autorigenerarsi sia di produrre una progenie di cellule in grado di specializzarsi. L embriologia racchiude il susseguirsi di passaggi che svelano l identità cellulare come motore della biologia dello sviluppo. Le cellule germinali si incontrano e avviene la fusione. Tale momento determina la formazione di cellule staminali totipotenti che a distanza di pochi giorni perderanno tale potenzialità per dar vita alle cellule staminali pluripotenti presenti nella massa interna della bastocisti giovane e poi, con la formazione dell ipoblasto e dell epiblasto, alle diverse linee di cellule multipotenti (1). L ultimo decennio ha visto un esplosione di interesse per le cellule staminali in generale e in particolare per le cellule staminali embrionali (SE) umane. L attenzione ha acceso speranze e paure in tante persone, dai familiari dei malati ai politici, a chi si occupa di problemi etici. Isolate da James Thomson nel 1998, le cellule staminali embrionali sono oggetto di forti controversie legislative in molti paesi (2). Alcuni Paesi autorizzano la ricerca sperimentali e i trias clinici altri li bandiscono per motivi etici. Di fatto le SE benché essere una fonte di inestimabile valore non trovano applicazioni cliniche su larga scala a causa della loro capacità di indurre una forma di tumore, il teratoma, oltre alla mancanza di controllo totale sul differenziamento indotto e ai noti problemi etici inerenti alla loro estrazione in una fase estremamente precoce della vita. L unica applicazione terapeutica oggi disponibile a partire da SE è il trapianto di oligodendrociti predifferenziati in vitro a partire da SE per la cura delle lesioni al midollo spinale (studio clinico autorizzato dall FDA a carica della Geron, US; link Nel loro percorso di specializzazione le cellule staminali passano dalla fase di Totipotenza, quando possono dare vita ad ogni tipologia di cellula comprese quelle degli annessi embrionali, alla fase di Pluripotenza, capaci di svilupparsi solo in cellule che formano un individuo e capaci di produrre la linea germinale, e poi a quella di Multipotenza, come le cellule cordonali, midollari, da sangue periferico, adipose

2 e tessuto-specifiche che danno origine a 3 importanti foglietti germinali (ecto-, meso-, endo- derma); fino a divenire cellule staminali unipotenti, finalizzate cioè a generare solo un tipo di cellule con una funzionalità specifica. Da molto tempo è noto il trapianto di cellule staminali ematopoietiche estratte da midollo osseo e da sangue periferico a seguito di emaferesi (tecnica di arricchimento della concentrazione di cellule staminali a seguito di stimolazione con fattori di crescita). Nell ultimo ventennio, si è poi affermato l uso terapeutico di cellule staminali ematopoietiche derivanti dalla vena cordonale. Le cellule staminali ematopoietiche (CSE) sono l origine delle cellule che costituiscono il nostro sangue e il sistema immunitario. Negli adulti, la sede di queste cellule progenitrici è il midollo osseo, un complesso tessuto molle che occupa gli spazi cavi delle ossa, specie di quelle grandi e piatte. Durante la vita, un gran numero di CSE si differenzia in continuazione per rifornire sangue e organi linfoidi di cellule mature e per sostituire le cellule che completano il loro ciclo vitale o sono eliminate o perse. Le CSE sono dunque essenziali per lo sviluppo e la sopravvivenza. La capacità delle CSE di ripopolare sangue e sistema immunitario è importante per il trattamento di alcuni disturbi. Infatti, la somministrazione di CSE può aiutare il paziente con malfunzionamento del midollo osseo legato a una terapia radiologica o a una chemioterapia, generando una progenie di nuove cellule sane. Nel 2009, per la prima volta, il numero di campioni bancati di cellule cordonali ha superato il numero di campioni disponibili a partire da midollo osseo (3). I vantaggi delle cellule staminali cordonali risiedono nell elevato numero di CSE, nella possibilità di effettuare una chemioterapia più blanda, nel ridotto evento Graft Versus Host Disease (GVHD), nell elevata immunopotenzialità dei linfociti Treg, in una maggiore reattività Graft Versus Leukemia (GVL), nella possibilità per etnie minori o miste di accedere ad una fonte di staminali meno aggressiva nei confronti del proprio sistema immunitario. Le cellule staminali cordonali mostrano però maggiore lentezza di produzione di neutrofili e piastrine. Una caratteristica specifica del cordone riguarda la presenza di telomeri lunghi sui cromosomi delle cellule staminali cordonali che conferisce loro una capacità proliferativa anche in vitro e per questo motivo le cellule prelevate alla nascita vengono comunemente chiamate cellule neonatali a differenza di quelle adulte. Oltre alle cellule staminali di origine ematopoietica esistono cellule stromali mesenchimali e progenitori endoteliali presenti nel midollo osseo così come nel sangue cordonale che è maggiormente ricco rispetto al primo di progenitori cellulari (eritroidi, megacariocitici e dei globuli bianchi). Le cellule stromali mesenchimali (CSM) danno origine al tessuto osseo, cartilagineo, tendineo, muscolare scheletrico e adiposo e possono essere estratte da midollo osseo, sangue venoso cordonale, tessuto adiposo o polpa dentale. L origine delle CSM sembra derivare dai periciti (Il pericita è un tipo di cellula connettivale che circonda parzialmente le cellule endoteliali dei capillari e delle venule). Le CSM hanno degli effetti paracrini estremamente importanti grazie al loro tropismo in direzione del

3 danno tissutale e alla loro capacità di rilasciare fattori di crescita che svolgono un effetto benefico sul tessuto da riparare come avviene già per l infarto acuto del miocardio. D altra parte è noto in applicazione terapeutica l effetto immunomodulatorio che oggi vede queste cellule in trapianti combinati con cellule staminali ematopoietiche e in prove cliniche relative a patologie autoimmuni.(4) Le applicazioni terapeutiche odierne e future Oggi le patologie trattabili con le cellule multipotenti sono più di 80 e sono classificate in base all uso autologo e/o allogenico (o eterologo ) del trapianto. Ad esempio: alcune forme di leucemia o malattie genetiche come la talassemia necessitano di cellule provenienti da un altra persona e non dal paziente; in tali casi s interviene con un trapianto allogenico (studi di terapia genica, però, stanno mettendo a punto tecniche di sostituzione del gene difettivo con un gene funzionante nelle staminali del paziente, preventivamente prelevate e, pertanto, si ritiene che anche in applicazioni di natura monogenetica sarà possibile l autotrapianto). E dovere ricordare che l uso eterologo è raro a causa della scarsa istocompatibilità tra soggetti non appartenenti allo stesso nucleo familiare. Infatti i dati pubblicati recentemente dalla dott. Gluckman sulla rivista Haematologica dimostrano che, oltre alla elevata istocompatibilità tra consanguinei, i trapianti familiari hanno il 63% di aspettative di sopravvivenza contro il 23% tra non consanguinei (5). Per molte altre patologie come alcuni linfomi, disturbi mieloproliferativi, mielodisplastici, delle plasmacellule, del midollo osseo, alcuni tipi di tumori, l istiocitosi e molte ancora si prevede un uso per trapianto sia autologo che eterologo. Secondo i dati dei centri trapianti internazionali, le patologie che trovano maggior supporto terapeutico dalle cellule staminali sono la Leucemia Linfoide Acuta, la Leucemia Mieloide Acuta e Cronica, le Immunodeficienze e la Talassemia Beta. Le nuove frontiere della biologia oggi pongono quesiti più complessi nel trattamento di patologie cardiologiche, diabetologiche e neurologiche. Diversi studi clinici sono infatti in corso per la validazione di queste applicazioni terapeutiche, in particolare per il diabete di tipo I insulino-dipendente, l infarto acuto del miocardio, le patologie autoimmuni, l ictus, la paralisi cerebrale infantile e le lesioni al midollo spinale ( La rivoluzione delle cellule pluripotenti indotte (induced Pluripotent Stem Cells, ips) Sono passati tre anni da quando Shinya Yamanaka ha pubblicato un lavoro rivoluzionario su Cell (6). Il ricercatore giapponese è riuscito a portare indietro l orologio biologico delle cellule e a fare in modo che queste riacquisiscano le caratteristiche delle cellule staminali pluripotenti. L ingegneria molecolare alla base di tale retroinduzione risiede nell inserimento di fattori trascrizionali per mezzo di un retrovirus o di un lentivirus o piuttosto di small molecules in grado di riaprire la disponibilità di geni altrimenti silenti in una cellula programmata a svolgere una funzione specifica (7). Oltre all incom-

4 mensurabile vantaggio etico che non prevede più l uso di cellule embrionali derivanti da blastocisti, vi è la potenzialità di studiare patologie cardiologiche, diabetologiche, nefrologiche e neurologiche e di trovare per esse rimedi terapeutici di fondamentale importanza. In particolare per ciò che riguarda studi di modello patologico e di screening farmacologico (8). L elemento che contraddistingue le SE dalle ips riguarda la memoria epigenetica ovvero le cellule retroindotte sono il testimone della vita di contaminazioni e mutazioni indotte dall ambiente che non erano presenti alla nascita e che potrebbero essere concausa di molte patologie umane. Le ips, analogamente alle SE hanno la capacità di produrre forme tumorali e di dar vita alla linea germinale. La fonte da cui si otterranno le cellule ips (Induced Pluripotent Stem Cells) sono le cellule differenziate del paziente per lo studio delle patologie e le cellule staminali cordonali come fonte più efficiente e speculare alla genetica del bambino al momento della nascita (Banca di Kyoto). La firma epigenetica ha un valore incommensurabile nella valutazione di un quadro patologico. Tale firma non si esprime solo con l accumulo di mutazioni e di inserzioni geniche ma anche come fattore discriminante tra le varie fonti di cellule staminali. Gli elementi di maggior interesse scientifico sono i microrna, la mutazione e lo stato di attivazione di trascrizione immediata che alcune cellule staminali conservano (9). In conclusione, benché l interesse sperimentale relativo alla conoscenza della macchina biologica e degli elementi che la regolano risieda nelle cellule embrionali, le applicazioni cliniche oggi disponibili sono prevalentemente a carico delle cellule somatiche multipotenti e la vera scommessa di far coincidere l elevata potenzialità cellulare con una più ampia gamma di patologie umane trattabili è ad oggi celata nella disponibilità terapeutica delle cellule retroindotte. Bibliografia 1) J, Silva,, J. Nichols, T. W. Theunissen,, G. Guo, A. L. van Oosten, O. Barrandon, J. Wray, S. Yamanaka, I. Chambers, and A. Smith; Nanog Is the Gateway to the Pluripotent Ground State Nanog Is the Gateway to the Pluripotent Ground State; Cell 138 (2009) Aug.: ) J.A. Thomson, J. Itskovitz-Eldor, S.S. Shapiro, M.A. Waknitz, J.J. Swiergiel, V.S. Marshall, J.M. Jones, Embryonic Stem cells lines derived from Human Blastocyst, Science. (1998) Nov 6;282(5391): ) H.E. Broxmeyer, Cord blood hematopoietic stem cell transplantation In: StemBook [Internet]. Cambridge (MA): Harvard Stem Cell Institute; May 26. 4) A.J. Nauta and W.E. Fibbe, Immunomodulatory properties of mesenchymal stromal cells. Blood, (2007) 15 Nov, volume 110, number 10. 5) E. Gluckman, V. Rocha, Cord blood transplantation: state of the art, Haematologica 94 (2009) ) K.Takahashi, K.Tanabe, M. Ohnuki, M. Narita, T. Ichisaka, K. Tomoda, S. Yamanaka, Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors Cell, (2007) Nov 30;131(5): ) S. Yamanaka, H.M. Blau, Nuclear reprogramming to a pluripotent state by three approaches Nature. (2010) Jun 10;465(7299): ) S, Yamanaka. Patient-specific pluripotent stem cells become even more accessible Cell Stem Cell. (2010) Jul 2;7(1):1-2 9) P. Aranda., X. Agirre., E. Ballestar, E. J. Andreu, Jose R. Go mez, I. Prieto, J. II. Martın-Subero, J. Cruz Cigudosa, R. Siebert, M. Esteller, F. Prosper, Epigenetic Signatures Associated with Different Levels of Differentiation Potential in Human Stem Cells. PLoS, (2009), 11

5 Fig.1 Fonti di cellule staminali e loro rispettive potenzialità

6 Fig.2 Sviluppo embrionale e ontogenesi delle cellule staminali multipotenti Fig.3 Tratto da Nature (Vol 465) S. Yamanaka and H.M Blau (7). Generazione di cellule ips a partire da fibroblasti trasdotti con un retrovirus codificante per i quattro fattori di pluripotenzialità