Storia delle cellule staminali

Di Hidaya Aliouche, B.Sc.Reviewed by Dr. Tomislav Meštrović, MD, Ph.D.

La scoperta delle cellule staminali è iniziata negli anni ’50 da una fonte insolita – teratocarcinomi e tumori contenenti una varietà (o mix eterogeneo) di tipi di tessuto. Questi includono strutture completamente specializzate e differenziate come denti e capelli.

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L’osservazione della crescita maligna e della trapiantabilità ha suggerito la presenza di una cellula proliferativa (altamente divisa) e indifferenziata (non specializzata e capace di produrre una gamma di tipi di cellule). Questa cellula è stata chiamata cellula di carcinoma embrionale (EC).

Un esperimento pionieristico ha dimostrato che l’iniezione di cellule EC nel cervello di topi adulti ha prodotto teratocarcinomi; questo ha fornito prove concrete che le cellule EC possono produrre tutti i costituenti cellulari del teratocarcinoma. Prove a conferma della loro capacità di propagare i tumori e di auto-rinnovarsi sono state indicate dalla loro capacità di essere trapiantate.

Cellule germinali e cellule di carcinoma embrionale

Le origini delle cellule CE sono principalmente testicolari negli esseri umani e nei topi. Leroy Stevens ha scoperto che i teratocarcinomi in 129 ceppi di topi inbred nascono dalle cellule germinali, quelle dello sperma e dell’uovo. Paradossalmente, le cellule germinali non danno origine a tumori, né si differenziano in altri tipi di cellule.

Le cellule CE presentavano una morfologia (forma) simile alle cellule presenti nei primi embrioni, il che confermava la loro origine germinale. Queste cellule embrionali fondatrici possiedono la capacità di produrre le cellule di tutti i lignaggi del corpo, chiamate cellule somatiche. Questa proprietà è descritta come pluripotenza, e tali cellule potevano essere mantenute quando un campione del teratocarcinoma veniva trapiantato in serie.

Scoprire la potenza

Le cellule CE sono come le cellule del primo embrione che si presentano prima della gastrulazione. Le cellule CE possono essere espanse in linea cellulare, cosa che è stata effettivamente realizzata nel 1970 con colture di teratocarcinomi testicolari ed embrionali.

La spiegazione di successo ha richiesto l’uso di fibroblasti, che erano stati inattivati per impedire la divisione mitotica. Queste cellule secernono fattori che sostengono il mantenimento, la proliferazione e la vitalità delle cellule CE.

Inoltre, le linee CE mostravano una variabilità nella loro capacità di differenziarsi, un’osservazione che ha portato all’ipotesi che non tutte le cellule fossero pluripotenti; più specificamente, c’era una differenza nel potenziale della cellula di dare diversi tipi di cellule specializzate (differenziate).

Questa qualità è chiamata potenza, di cui esistono quattro tipi, in ordine gerarchico:

1. Totipotenza – il potenziale di dare origine a tutti i tipi di cellule nell’embrione e nell’adulto (es.g. l’uovo fecondato), quindi una cellula totipotente può dare origine all’intero organismo
2. Pluripotenza – il potenziale di dare origine a cellule di tutti i lignaggi del corpo, ma non un intero organismo
3. Multipotenza – il potenziale di una cellula di dare origine a un numero limitato di tipi di cellule nel corpo
4. Unipotenza – la capacità di una cellula di dare origine a un solo tipo di cellula

Da queste cellule indifferenziate che si autorinnovano possono nascere cellule differenziate terminalmente. Gli scienziati Martin Evans e Gail Martin si sono invece concentrati su come mantenere la pluripotenza, che attualmente sappiamo essere il tipo di cellula più potente. Hanno scoperto che i subcloni di cellule EC pluripotenti, se coltivati su uno strato alimentatore, e in assenza di questo strato, producevano una popolazione mista di cellule fibroblastiche (cellule differenziate) intervallate da nidi di cellule indifferenziate.

Questa scoperta ha suggerito che le cellule EC potrebbero produrre le proprie cellule fibroblaste alimentatrici attraverso la differenziazione e ha dedotto che queste devono essere necessarie per mantenere la natura pluripotente di queste cellule. Contemporaneamente, Martin ed Evans notarono che il siero in cui le cellule CE erano sospese differiva nella loro capacità di sostenere l’espansione delle cellule CE e la capacità di differenziarsi. Questo ha portato alla pluripotenza, e successivamente a una metodologia di coltura affidabile per produrre e propagare cellule CE con pluripotenza conservata.

Cellule staminali come iniziatori della crescita e dello sviluppo embrionale

L’ulteriore analisi delle cellule CE da parte di Martin ed Evans ha rivelato che quando le cellule CE venivano aggregate, le colonie che nascevano formavano strutture chiamate corpi embrionali con identità embrionale specifica per le loro caratteristiche di differenziazione.

La somiglianza tra i due ha spinto a un’ulteriore esplorazione; per testare se le cellule CE potessero contribuire a un embrione, le cellule CE sono state iniettate in blastocisti (strutture pre-embrionali formate 5-6 giorni dopo la fecondazione) e i risultati sono stati analizzati.

Nella maggior parte dei casi, le cellule CE non sono riuscite a incorporarsi nell’embrione, alcune hanno prodotto tumori o anomalie di sviluppo. Tuttavia, alcune linee di cellule CE pluripotenti hanno colonizzato l’embrione ospite e successivamente sono nate delle chimere.

Le chimere sono organismi che contengono due diversi set di DNA; in questo caso, i topi sono stati prodotti dal DNA codificato nelle cellule sessuali e dal DNA delle cellule CE. Questo ha dimostrato che un sottoinsieme di cellule CE potrebbe svolgere la funzione di cellule embrionali normali e lavorare nel contesto dell’ambiente embrionale ospite.

Per una chimera sana

Tuttavia, la percentuale di topi chimerici era scarsa. Questa constatazione, unita alle grandi differenze di potenza tra le linee, lo sviluppo di tumori chimerici e i cambiamenti nella loro stabilità genetica, ha spinto ad esplorare un’altra fonte di cellule pluripotenti.

Una probabile spiegazione di queste occorrenze era la probabilità invariabile che le cellule CE portassero anomalie cromosomiche. Tutti i risultati suggerivano che la loro somiglianza con gli embrioni era discutibile; più specificamente, la loro capacità di agire in modo embrionale e pluripotente era condizionata dalla loro presenza nei tumori e dalle loro anomalie genetiche inerenti.

Invece, l’embrione stesso forniva una fonte meno problematica di cellule staminali pluripotenti. Evans e Martins hanno usato le stesse condizioni per la raccolta ottimizzata di cellule CE su strati alimentatori per raccogliere con successo linee cellulari indifferenziate da blastocisti di topo.

Le cellule risultanti avevano una somiglianza funzionale con le cellule CE e potevano produrre teratocarcinomi quando venivano trapiantate in topi adulti. Questo suggeriva che potevano essersi trasformate in cellule CE.

Per eliminare questa possibilità, nel 1984 Evans stabilì che queste cellule potevano contribuire a chimere sane, in cui il DNA era stato trasmesso con successo attraverso la linea germinale (l’uovo e lo sperma). Le cellule pluripotenti, ottenibili da un embrione, si espandevano attraverso divisioni multiple senza trasformarsi, mantenendo la propria composizione genetica. Queste cellule sono attualmente conosciute come cellule staminali embrionali (ESC).

Un decennio dopo, Matsui ha scoperto che le cellule germinali primordiali (PGC) danno origine a cellule staminali proliferative. Queste furono chiamate cellule germinali embrionali (EG), e sono praticamente indistinguibili dalle cellule ES, a parte la loro origine. Questo spiegava l’origine delle cellule germinali o dei teratocarcinomi – le cellule germinali erano indotte a convertirsi in cellule staminali pluripotenti in vivo.

Previsioni future: terapia con cellule staminali

La capacità della componente genetica delle cellule ES di essere trasmessa e mantenuta attraverso la linea germinale offre la possibilità di introdurre modifiche genetiche nei topi. Sono anche suscettibili di una serie di approcci di manipolazione genetica, e in grado di essere ampliate; per esempio, caratteristiche che permettono la separazione delle cellule che hanno subito un evento raro, come la ricombinazione omologa, in cui le cellule subiscono qualche cambiamento genetico forma scambio tra due molecole di DNA simili.

Nel 1989, sono state generate con successo cellule ES con un knockout genetico ingegnerizzato. Questo gene targeting delle cellule ES è stato poi ampliato. E mentre la ricerca negli anni ’80 e nei primi anni ’90 si è concentrata sul targeting genetico, gran parte della comprensione del perché e del mantenimento della pluripotenza nelle cellule ES si è fatta strada alla fine degli anni ’90.

Oggi sono stati scoperti i meccanismi molecolari che sostengono lo stato delle cellule ES. Il primo isolamento riportato di linee di cellule staminali embrionali umane (hESC) ha spostato l’attenzione dai modelli murini e ha permesso di esplorare le loro implicazioni terapeutiche. Al momento le hESC sono indispensabili, e i risultati degli studi clinici basati sulle hESC stabiliranno un gold standard per la futura terapia basata sulle cellule staminali.

Nel 2006, è stata fatta una svolta identificando le condizioni che permetterebbero la riprogrammazione cellulare delle cellule somatiche adulte per consentire loro di assumere uno stato simile alle cellule staminali. Questo è ora noto come cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC). Il loro uso terapeutico è potenzialmente maggiore di quello delle hESCs, poiché poiché queste cellule possono essere prelevate dal paziente stesso e poi riprogrammate, i medici possono evitare il problema del rigetto che è causato dall’istocompatibilità.

Questo si riferisce al processo del donatore che possiede diversi antigeni che segnalano al sistema immunitario ospite del ricevente che la cellula è estranea e, quindi, portano ad una risposta immunitaria per distruggere la cellula estranea. This is basically seen as organ rejection.

This additionally avoids the need for immunosuppressive treatment throughout the patient’s life to prevent this, and eliminates the ethical implications of hESCs, as iPSCs do not require an embryonic source for production. More research on the topic will definitely bring further progress in stem cell usage.

Written by

Hidaya Aliouche

Hidaya is a science communications enthusiast who has recently graduated and is embarking on a career in the science and medical copywriting. She has a B.Sc. in Biochemistry from The University of Manchester. She is passionate about writing and is particularly interested in microbiology, immunology, and biochemistry.

Citations