Questa rassegna completa evidenzia le principali scoperte nella ricerca sulle cellule staminali negli ultimi due decenni, dimostrando come gli scienziati possano oggi riprogrammare cellule adulte in cellule staminali pluripotenti capaci di diventare qualsiasi tipo cellulare dell'organismo. L'articolo tratta cinque principali tipi di cellule staminali—embrionali, simil-embrionali molto piccole, da trasferimento nucleare, riprogrammate e adulte—ciascuna con fonti uniche e potenziale clinico. I progressi chiave includono metodi di riprogrammazione migliorati utilizzando virus, RNA e sostanze chimiche; sistemi di coltura migliorati che evitano prodotti animali; e le emergenti tecnologie di biostampa 3D che potrebbero eventualmente generare tessuti e organi trapiantabili.

Progressi Recenti nella Ricerca sulle Cellule Staminali: dalle Scoperte di Laboratorio alle Applicazioni Cliniche

Indice

• Introduzione
• Fonti di Cellule Staminali Pluripotenti
• Cellule Staminali Embrionali (CSE)
• Cellule Staminali Simil-Embrionali Molto Piccole (VSEL)
• Cellule Staminali da Trasferimento Nucleare (NTSC)
• Cellule Staminali Riprogrammate (RSC)
• Cellule Staminali Adulte
• Applicazioni Cliniche e Direzioni Future
• Considerazioni Etiche
• Informazioni sulla Fonte

Introduzione

La ricerca sulle cellule staminali ha subito cambiamenti rivoluzionari negli ultimi 20 anni, con progressi particolarmente rapidi nell'ultimo decennio. Questo campo iniziò nel 1961 quando i ricercatori canadesi Dott. James A. Till e Dott. Ernest A. McCulloch scoprirono per la prima volta cellule staminali nel midollo osseo di topo in grado di differenziarsi in vari tipi cellulari, stabilendo il concetto di cellule staminali pluripotenti (CSP)—cellule capaci di diventare qualsiasi tipo cellulare dell'organismo.

Il campo ha raggiunto diverse tappe critiche: la pecora Dolly fu clonata nel 1996 utilizzando il trasferimento nucleare di cellule somatiche (TNCS), le prime cellule staminali embrionali umane (CSEU) furono isolate nel 1998, e le cellule staminali pluripotenti indotte (CSPI) furono create nel 2006 riprogrammando cellule adulte con soli quattro fattori di trascrizione. L'importanza di queste scoperte fu riconosciuta quando Shinya Yamanaka e John Gurdon ricevettero il Premio Nobel 2012 per il loro lavoro che dimostrò come cellule mature potessero essere riprogrammate in uno stato pluripotente.

I ricercatori hanno identificato cinque categorie principali di cellule staminali attraverso revisione sistematica: cellule staminali embrionali (CSE), cellule staminali simil-embrionali molto piccole (VSEL), cellule staminali da trasferimento nucleare (NTSC), cellule staminali riprogrammate (RSC) e cellule staminali adulte. Ogni tipo offre vantaggi e sfide uniche per le applicazioni cliniche. Solo le NTSC sono state utilizzate per generare un organismo completo (scimmie in Cina, 2018), mentre altri tipi sono stati utilizzati per generare tessuti e organi.

Le cellule staminali, in particolare CSE e CSPI, mostrano enorme promessa in quattro aree principali: medicina rigenerativa e dei trapianti, modellizzazione di malattie, screening per la scoperta di farmaci e biologia dello sviluppo umano. Il campo continua a evolversi dalle scoperte iniziali verso applicazioni cliniche in espansione, sebbene permangano sfide—specialmente riguardo al controllo della proliferazione e differenziazione cellulare poiché la tecnologia di riprogrammazione delle CSPI è ancora relativamente nuova.

Fonti di Cellule Staminali Pluripotenti

Le cellule staminali pluripotenti (CSP) sono caratterizzate da due proprietà essenziali: auto-rinnovamento (capacità di proliferare) e potenza (capacità di differenziarsi in tipi cellulari specializzati derivati da uno dei tre foglietti embrionali primari: ectoderma, endoderma o mesoderma). I ricercatori utilizzano tre principali saggi per testare la pluripotenza in modelli murini.

Il saggio di formazione del teratoma valuta la generazione spontanea di tessuti differenziati da tutti e tre i foglietti germinali dopo il trapianto di cellule in topi immunocompromessi. Il saggio di formazione della chimera testa se le cellule staminali contribuiscono allo sviluppo iniettandole in embrioni precoci (blastocisti 2N) e verificando se le cellule donatrici hanno capacità di trasmissione germinale, generano gameti funzionali e mantengono l'integrità cromosomica. Il saggio di complementazione tetraploide (4N) determina la capacità delle cellule pluripotenti all'interno di un intero organismo iniettando cellule in embrioni 4N e monitorando gli stadi di crescita per lignaggi extra-embrionali risultanti dalle cellule staminali trapiantate piuttosto che dall'embrione stesso.

Cellule Staminali Embrionali (CSE)

Le cellule staminali embrionali umane (CSEU) sono raccolte da blastocisti in stadio precoce (4-5 giorni post-fecondazione) distruggendo la blastocisti fonte o prelevando tessuti in stadio più avanzato (fino a 3 mesi di età gestazionale). Queste furono le prime cellule staminali applicate nella ricerca e rimangono comunemente utilizzate negli studi clinici oggi (come tracciato su clinicaltrials.gov).

Le CSEU rappresentano lo standard di riferimento per la pluripotenza ma comportano preoccupazioni etiche riguardanti la distruzione di embrioni e potenziali problemi di rigetto immunitario quando trapiantate in pazienti. Nonostante queste sfide, continuano a fornire preziose intuizioni nella biologia dello sviluppo e servono come importanti comparatori per le tecnologie più recenti di cellule staminali.

Cellule Staminali Simil-Embrionali Molto Piccole (VSEL)

Un nuovo tipo di cellula staminale pluripotente chiamata Cellule Staminali Simil-Embrionali Molto Piccole (VSEL) ha mostrato promesse dalla loro identificazione nel 2006. Oltre 20 laboratori indipendenti ne hanno confermato l'esistenza, sebbene alcuni gruppi ne abbiano messo in dubbio la validità. Queste cellule sono piccole cellule staminali dello sviluppo precoce trovate in tessuti adulti che esprimono marcatori di pluripotenza.

Le VSEL misurano approssimativamente 3-5 micrometri nei topi e 5-7 micrometri negli umani (leggermente più piccole dei globuli rossi). Esprimono marcatori di CSE inclusi SSEA, Oct-4A nucleare, Nanog e Rex1, insieme a marcatori per cellule germinali primordiali migranti come Stella e Fragilis. La loro origine dello sviluppo può essere associata a depositi della linea germinale negli organi in sviluppo durante l'embriogenesi.

Secondo un modello proposto nel 2019, le VSEL originano da cellule germinali primordiali e si differenziano in tre destini potenziali: cellule staminali mesenchimali (CSM), emangioblasti (incluso cellule staminali ematopoietiche e cellule progenitrici endoteliali) e cellule staminali tissuto-commissate. Come cellule staminali pluripotenti, le VSEL possono avere il vantaggio di poter differenziare attraverso i foglietti germinali in animali o umani adulti, potenzialmente funzionando come alternativa a cellule staminali tissuto-commissate monopotenti negli adulti.

Le VSEL possono superare diversi problemi associati ad altri tipi di cellule staminali: le controversie etiche delle CSE e il rischio di formazione di teratomi (tumori) delle CSPI. Questo le rende particolarmente promettenti per futuri studi su cellule staminali e applicazioni cliniche dove queste preoccupazioni presentano barriere significative.

Cellule Staminali da Trasferimento Nucleare (NTSC)

Scoperta originariamente nel 1996, la tecnica di trasferimento nucleare di cellule somatiche (TNCS) si è gradualmente evoluta per generare cellule staminali da trasferimento nucleare (NTSC). Questo processo inizia impiantando un nucleo donatore da una cellula somatica completamente differenziata (come un fibroblasto) in un ovocita enucleato (cellula uovo con nucleo rimosso).

La nuova cellula uovo ospite quindi innesca la riprogrammazione genetica del nucleo donatore. Numerose divisioni mitotiche di questa singola cellula in coltura sviluppano una blastocisti (circa 100 cellule in embrione in stadio precoce), generando infine un organismo con DNA quasi identico all'organismo originale—un clone del donatore nucleare. Il processo può produrre sia clonazione terapeutica che riproduttiva.

La pecora Dolly (1996) fu il primo clone riproduttivo di successo di un mammifero. Da allora, circa altre due dozzine di specie sono state clonate. Nel gennaio 2018, scienziati cinesi a Shanghai annunciarono la clonazione riuscita di due scimmie macaco femmine utilizzando fibroblasti fetali tramite TNCS—i primi primati clonati con questo metodo.

Creare primati clonati potrebbe rivoluzionare la ricerca sulle malattie umane. Primati non umani geneticamente uniformi potrebbero servire come preziosi modelli animali per la biologia dei primati e la ricerca biomedica, aiutando a investigare meccanismi di malattia e target farmacologici riducendo al contempo i confondenti della variazione genetica e il numero di animali da laboratorio necessari. Questa tecnologia potrebbe combinarsi con l'editing genomico CRISPR-Cas9 per creare modelli di primati ingegnerizzati geneticamente per disturbi umani come il morbo di Parkinson e vari tumori.

Le compagnie farmaceutiche hanno espresso alta domanda per scimmie clonate per test di farmaci. Entusiasti di questa prospettiva, Shanghai ha prioritizzato finanziamenti per stabilire un Centro Internazionale di Ricerca sui Primati per produrre animali da ricerca clonati per uso internazionale. Il TNCS è unico tra gli approcci di cellule staminali poiché può generare un intero corpo vivente piuttosto che solo strati di cellule, tessuti o pezzi di organo, dandogli vantaggi funzionali biofisiologici rispetto a CSE e CSPI sia per la ricerca di base che per l'applicazione clinica.

Cellule Staminali Riprogrammate (RSC)

Dal 2006 quando Yamanaka e colleghi generarono per la prima volta cellule staminali pluripotenti indotte (CSPI), le tecnologie di riprogrammazione sono progredite significativamente. Questo è particolarmente vero per i metodi di riprogrammazione diretta sia in ambienti di laboratorio (in vitro) che all'interno di organismi viventi (in vivo) per produrre specifici lignaggi tissutali utilizzando fattori di trascrizione lineage-restricted, modificazioni del segnale RNA e piccole molecole o sostanze chimiche.

Questi approcci diretti saltano il passo CSPI, producendo cellule più precise come cellule progenitrici neurali indotte (iNPC) che sono più vicine a lignaggi cellulari target come cellule neurali e successivi motoneuroni. Le cellule staminali riprogrammate (RSC) sono derivate applicando qualsiasi metodo di laboratorio per riprogrammare i segnali genetici di cellule primarie, escludendo la tecnica TNCS.

Per superare le sfide etiche e immunogeniche associate alle CSEU, le CSPI sono emerse come alternativa promettente poiché derivano da tessuti somatici adulti. Le fonti di CSPI umane—incluso sangue, pelle e urina—sono abbondanti. Poiché le CSPIU possono essere raccolte da singoli pazienti, il rigetto immunitario può essere evitato quando sono trapiantate nello stesso paziente (trapianto autologo).

I ricercatori hanno sviluppato metodi per ottenere CSPIU da cellule tubulari renali presenti nell'urina. Un protocollo che richiede solo un campione di urina di 30 ml è semplice, relativamente veloce, economico e universale (applicabile a pazienti di tutte le età, generi e background razziali/etnici). La procedura totale coinvolge solo 2 settimane di coltura cellulare e 3-4 settimane di riprogrammazione, producendo alte rese di CSPI con eccellente potenziale di differenziazione.

CSPI derivate da urina raccolte da campioni di urina pulita del mitto medio di 200 mL tramite il sistema di consegna del virus Sendai mostrarono cariotipo normale (struttura cromosomica) ed esposero potenziale di differenziarsi in tutti e tre i foglietti germinali in saggi di teratoma. Una sottopopolazione di cellule isolate da urina mostrò caratteristiche di cellule progenitrici, inclusa espressione di superficie cellulare di marcatori c-Kit, SSEA4, CD105, CD73, CD91, CD133 e CD44 che possono distinguere tra lignaggi cellulari vescicali (uroteliali, muscolo liscio, endoteliale e interstiziale), rendendole una promettente fonte cellulare alternativa.

Cellule Staminali Adulte

Le cellule staminali adulte rappresentano un'altra importante categoria di cellule staminali trovate in vari tessuti throughout il corpo. A differenza delle cellule staminali pluripotenti, queste sono tipicamente multipotenti—in grado di differenziarsi in una gamma limitata di tipi cellulari specifici del loro tessuto di origine.

Le fonti comuni includono midollo osseo, tessuto adiposo, polpa dentale e vari organi. Le cellule staminali mesenchimali (CSM) sono tra le cellule staminali adulte più studiate e hanno dimostrato potenziale nel trattamento di condizioni infiammatorie, nella promozione della riparazione tissutale e nella modulazione delle risposte immunitarie.

Sebbene meno versatili delle cellule staminali pluripotenti, le cellule staminali adulte offrono vantaggi tra cui minori preoccupazioni etiche, ridotto rischio di formazione tumorale e un uso clinico consolidato in procedure come il trapianto di midollo osseo. La ricerca continua a esplorarne il pieno potenziale e i meccanismi d'azione.

Applicazioni Cliniche e Direzioni Future

La ricerca sulle cellule staminali è progredita attraverso studi fondamentali, studi preclinici e ora sperimentazioni cliniche in molteplici ambiti applicativi. I progressi nelle combinazioni di fattori di riprogrammazione, nei metodi sperimentali e nella chiarificazione delle vie di segnalazione hanno contribuito alle prime sperimentazioni cliniche per trapianti di cellule retiniche e trapianti del midollo spinale.

Il campo continua ad affrontare sfide relative al controllo della proliferazione e differenziazione cellulare. I ricercatori stanno revisionando sistematicamente argomenti metodologici tra cui: induzione della pluripotenza mediante modificazioni genomiche; costruzione di nuovi vettori con fattori di riprogrammazione; promozione della pluripotenza delle iPSC con piccole molecole e vie di segnalazione genetica; potenziamento della riprogrammazione con microRNA; induzione e potenziamento della pluripotenza delle iPSC con sostanze chimiche; generazione di tipi cellulari differenziati specifici; e mantenimento della pluripotenza e stabilità genomica delle iPSC.

Questi argomenti sono cruciali per massimizzare l'efficacia della generazione e differenziazione delle iPSC in preparazione alla traduzione clinica. I progressi nella coltura cellulare includono colture senza feeder, terreni privi di xeno (evitando prodotti animali) e varie tecniche potenziate con biomateriali. Le tecnologie di stampa cellulare e bioprinting tridimensionale (3D) rappresentano direzioni particolarmente promettenti, insieme alle risorse di PSC e alla riprogrammazione cellulare diretta di seconda generazione in organismi viventi.

Gli obiettivi a lungo termine della ricerca e della clinica sulle cellule staminali si concentrano sullo sviluppo di trattamenti sicuri ed efficaci per diagnosi tra cui malattie neurodegenerative, lesioni del midollo spinale, cardiopatie, diabete e molte altre condizioni in cui la sostituzione cellulare o la rigenerazione tissutale potrebbero apportare benefici terapeutici.

Considerazioni Etiche

La ricerca sulle cellule staminali continua a navigare importanti considerazioni etiche, in particolare riguardo alle cellule staminali embrionali e alle tecnologie di clonazione. La distruzione di embrioni umani per la ricerca su hESC rimane controversa in molte società ed è regolamentata diversamente tra i paesi.

Tecnologie emergenti come le iPSC aiutano ad affrontare alcune preoccupazioni etiche fornendo fonti alternative di cellule pluripotenti senza la distruzione di embrioni. Tuttavia, emergono nuove questioni etiche riguardanti la manipolazione genetica, il consenso per la donazione cellulare e l'accesso equo alle terapie risultanti.

La comunità di ricerca internazionale continua a sviluppare linee guida e regolamenti per garantire progressi etici nella ricerca sulle cellule staminali, massimizzando al contempo i potenziali benefici per i pazienti affetti da varie malattie e condizioni.

Informazioni sulla Fonte

Titolo Originale dell'Articolo: Advances in Pluripotent Stem Cells: History, Mechanisms, Technologies, and Applications

Autori: Gele Liu, Brian T. David, Matthew Trawczynski, Richard G. Fessler

Pubblicazione: Stem Cell Reviews and Reports (2020) 16:3–32

DOI: https://doi.org/10.1007/s12015-019-09935-x

Questo articolo divulgativo si basa su ricerche sottoposte a revisione paritaria e mira a rendere accessibili informazioni scientifiche complesse preservando tutti i risultati essenziali e i dati della pubblicazione originale.