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Introduzione

Cellula staminale Cellula non specializzata capace di dividersi indefinitamente; a ogni suddivisione produce due cellule figlie, delle quali una è staminale e l’altra è capostipite di una popolazione di cellule che, a loro volta, danno luogo a cellule mature e differenziate, ovvero a tessuti distinti. Le cellule staminali assicurano la formazione e il rinnovamento dei tessuti, ovvero la sostituzione delle cellule che hanno terminato il proprio ciclo vitale e di quelle lesionate.

Nell’adulto, la quantità e la capacità proliferativa delle cellule indifferenziate è diversa nei tessuti che, per tale motivo, presentano differente capacità di rinnovamento e, nell’istologia classica, vengono distinti in labili, stabili e perenni. In realtà, molte proprietà delle cellule staminali e i meccanismi che ne guidano il differenziamento sono ancora allo studio. Numerose ricerche, a partire dagli anni Novanta del Novecento, hanno rivelato caratteristiche prima inaspettate, come la capacità di alcune cellule staminali adulte di trasformarsi in cellule di tessuti diversi da quello cui appartengono (transdifferenziamento). Inoltre, cellule di tipo staminale sono state trovate anche in tessuti tradizionalmente considerati incapaci di rinnovarsi (perenni), come il nervoso e il pancreatico.

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Tipi di cellule staminali

In base alla capacità di generare qualsiasi tipo di tessuto, oppure alcuni o uno soltanto, le cellule staminali si dicono, rispettivamente, totipotenti, multi o pluripotenti e unipotenti. In base alla provenienza si distinguono cellule staminali embrionali, fetali, da cordone ombelicale e adulte.

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Cellule staminali embrionali eterologhe

Nell’embrione allo stadio di blastocisti, prima del suo annidamento nella parete uterina, si trovano cellule staminali totipotenti e altamente proliferative, cioè capaci di produrre un numero assai elevato di progenitori di qualsiasi tipo di tessuto (cellule staminali embrionali o ES); mediante tecniche particolari, queste possono essere coltivate in vitro e mantenute inalterate per anni. Dimostrano interessanti applicazioni: sono in grado di integrarsi in un embrione senza alterarne lo sviluppo e differenziandosi nei diversi tessuti del nuovo organismo; possono essere “guidate” in modo da differenziarsi in un determinato tipo cellulare, come neuroni, cellule muscolari cardiache e progenitori degli elementi sanguigni.

Cellule staminali ottenute in grande quantità da embrioni congelati derivanti da procedure di fecondazione in vitro (FIV), eccedenti per tali finalità (si parla di embrioni sovrannumerari) e donati previo consenso informato, potrebbero teoricamente essere utilizzate per ricerche sui meccanismi di differenziamento dei tessuti oppure a scopo terapeutico per trattamenti immunologici sul feto all’interno dell’utero o al momento della nascita. Non è stato chiarito quali conseguenze abbia il congelamento a lungo termine sulla vitalità delle cellule.

È tecnicamente possibile anche prelevare alcune cellule staminali dall’embrione, senza sopprimerlo, in fasi molto precoci dello sviluppo (morula, blastula); in tal caso, sussiste il problema di espandere le cellule ES, cioè indurre in modo artificiale la loro moltiplicazione, così da potere disporre di quantità sufficienti per le applicazioni cui si intendono destinare.

Infine, una fonte di cellule staminali embrionali sono le cellule germinali primordiali, presenti all’interno delle gonadi del feto e capostipiti delle cellule riproduttive (gameti). Prelevate da feti abortivi, possono teoricamente essere coltivate in vitro e “dirette” in modo da trasformarsi in cellule EG.

Le cellule staminali embrionali ottenute con le tecniche appena descritte, se impiegate nel trattamento di pazienti, sono dette eterologhe; cioè provengono da un individuo diverso da quello in cui sono utilizzate. Il metodo del trasferimento nucleare (o TNSA) permette invece di produrre cellule staminali embrionali autologhe, derivanti dallo stesso individuo, di cui si tratta nel paragrafo seguente.

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Cellule staminali embrionali autologhe

La possibilità di ottenere cellule staminali embrionali di tipo autologo apre nuove prospettive terapeutiche, rendendo disponibili cellule adatte a essere trapiantate nello stesso donatore (autotrapianto) e compatibili dal punto di vista immunitario.

Mediante la tecnica detta TNSA, o trasferimento nucleare, il nucleo di una cellula somatica viene iniettato in una cellula uovo precedentemente enucleata (privata del proprio nucleo); tale procedimento è analogo a quello di clonazione che portò alla nascita della famosa pecora Dolly, con la differenza che non si intende ottenere un organismo adulto clonato e la cellula con il nuovo nucleo non viene impiantata in un utero per farla crescere. In questo caso, invece, la cellula con il nuovo nucleo può essere indotta mediante fattori di crescita a svilupparsi in vitro in un embrione da cui verranno prelevate le cellule staminali; oppure, può essere moltiplicata in masserelle di cellule che vengono poi “guidate” a differenziarsi verso un certo tipo di tessuto. Alcuni autori e la maggior parte dei media rivolti al grande pubblico, si riferiscono a questo metodo definendolo “clonazione terapeutica”.

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Cellule staminali fetali

Sono cellule staminali finalizzate all’accrescimento di alcuni tessuti nel neonato, con caratteri intermedi tra quelle dell’embrione e quelle dell’adulto. Tecnicamente, è possibile prelevarle da feti abortivi; occorre però chiarire quali capacità di proliferazione e di differenziamento possono mantenere se coltivate in vitro.

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Cellule staminali da cordone ombelicale

Dal prelievo di sangue fetale dal cordone ombelicale, al momento della nascita, è possibile isolare cellule staminali dotate di grande capacità proliferativa e, allo stato attuale, considerate precursori degli elementi sanguigni. Su queste cellule si basa la cosiddetta terapia del sangue ombelicale, sperimentata come alternativa al trapianto di midollo osseo (TMO) eterologo (cioè da un individuo a un altro). La possibilità di ottenere altri tessuti è ancora allo studio. Alcuni ricercatori propongono l’istituzione di banche di cellule staminali autologhe, nelle quali ciascun individuo potrebbe conservare le proprie cellule staminali del cordone prelevate al momento della nascita, in modo da poterle utilizzare per autotrapianto in caso di necessità.

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Cellule staminali adulte

Nell’adulto le cellule staminali permettono la ricostituzione di tessuti danneggiati. Verso la fine degli anni Novanta è stato dimostrato che, contrariamente a quanto ritenuto in precedenza, non si differenziano esclusivamente in modo da produrre le cellule mature del tessuto cui appartengono, ma possiedono capacità inaspettate, molte delle quali probabilmente devono ancora essere scoperte: ad esempio, cellule staminali nervose possono dare luogo a cellule ematopoietiche, oppure cellule del midollo osseo possono originare cellule epatiche, fenomeno detto transdifferenziamento. Questa proprietà potrebbe essere sfruttata coltivando in vitro cellule di un tessuto e guidandone il differenziamento in modo da potere intervenire nella ricostruzione di tessuti lesionati in modo autologo, cioè trapiantando cellule dello stesso paziente e scongiurando in tal modo il fenomeno del rigetto.

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Prime ricerche

Se l’esistenza di cellule e tessuti capaci di rigenerarsi è un fenomeno noto da tempo nell’istologia e nell’embriologia, derivante dall’osservazione dei meccanismi di sviluppo e di riparazione delle lesioni, l’identificazione delle cellule staminali è relativamente recente. La prima coltura di cellule embrionali di topo si ebbe nel 1981; per l’isolamento e la coltivazione di cellule embrionali umani si dovette attendere il 1998. L’annuncio fu dato da due team della Johns Hopkins University di Baltimora, nel Maryland, e dell’Università del Wisconsin a Madison, che avevano lavorato in modo indipendente, rispettivamente su embrioni ai primissimi stadi di sviluppo (stadio di blastocisti) e su feti abortiti.

Nel 1999 l’équipe del ricercatore italiano Angelo Vescovi dell’Istituto di ricerca sulle cellule staminali presso l’Istituto San Raffaele di Milano ha identificato in individui adulti cellule staminali progenitrici delle cellule nervose, nella regione del cervello posteriore al bulbo olfattivo. Nell’aprile 2001, presso l’Università della California a Los Angeles, cellule staminali derivanti da tessuto adiposo sono state indotte in vitro a differenziarsi in cellule del tessuto cartilagineo, osseo e muscolare.

È del maggio 2001 l’identificazione, nel midollo osseo di topo, di una “supercellula” staminale capace di dare origine a elementi sanguigni, a midollo osseo e a cellule del polmone, dell’intestino e della pelle; la scoperta è opera della New York University School of Medicine. Nel giugno 2001 ricercatori del Laboratorio di Ematologia dell’Istituto Superiore della Sanità hanno isolato dal sangue di cordone ombelicale l’emoangioblasto, cellula staminale da cui sembrano derivare i vasi sanguigni.

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Applicazioni e recenti sviluppi

Al di là dell’interesse prettamente biologico delle scoperte sulle cellule staminali, vi è la speranza di potere definire nuove terapie mediche che ne sfruttino le potenzialità.

L’impiego di cellule staminali adulte, anche se disponibili in minore quantità e di più lenta proliferazione di quelle embrionali, ha fornito risultati incoraggianti. La principale applicazione è la ricostituzione del midollo osseo danneggiato da trattamenti di radio- o chemioterapia; in tal caso, le cellule provengono dal sangue, dal midollo osseo o dal sangue del cordone ombelicale. Un autotrapianto di cellule staminali da midollo osseo è stato effettuato con successo nel cuore di un paziente colpito da infarto del miocardio.

Cellule staminali epidermiche possono essere applicate per la ricostruzione cutanea in caso di gravi ustioni e tumori. Una sfida è rappresentata dall’applicazione della terapia genica alle cellule staminali che, dimostrandosi più ricettive nell’acquisizione di DNA estraneo (inoculato ad esempio tramite virus-vettori), potrebbero essere impiantate in tessuti in cui vi è un difetto genetico.

La ricerca medica si sta attualmente focalizzando sul trattamento di malattie neurodegenerative (morbo di Alzheimer, morbo di Parkinson, còrea di Huntington, sclerosi laterale amiotrofica), di malattie della retina e dell’orecchio, e di alcune malattie metaboliche. Nel febbraio 2000 l’Università della Florida ha utilizzato cellule staminali del pancreas di topo trapiantandole nel pancreas di esemplari affetti da diabete giovanile; le cellule trapiantate hanno prodotto insulina permettendo la regressione della malattia. Il team statunitense del biologo Ron McKay, presso i National Institutes of Health di Bethesda, Maryland, è riuscito a combattere i sintomi del morbo di Parkinson nei ratti impiegando cellule staminali embrionali di topo.

Nell’aprile 2003 due ricercatori dell’Istituto San Raffaele, il già citato Angelo Vescovi e Gianvito Martino, hanno pubblicato uno studio in cui per la prima volta cellule staminali di tipo neurale, prelevate da topi adulti, sono state inoculate in topi affetti da sclerosi multipla e hanno determinato il recupero della capacità di camminare e muovere la coda e, in alcuni esemplari, la guarigione completa. Questo risultato appare di interesse particolare perché per la prima volta è stata curata una malattia che colpisce in modo diffuso il midollo spinale e il cervello (mentre ad esempio nel Parkinson i danni sono più focalizzati).

Un altro passo in avanti nella direzione di una possibile terapia delle malattie neurodegenerative è costituito dalle ricerche del biologo Ping Wu della University of Texas Medical Branch di Galveston, i cui risultati sono stati pubblicati nell’autunno 2002. Un “cocktail” di tre proteine, normalmente coinvolte nel processo di crescita e differenziamento dei neuroni, è stato somministrato a colture in vitro di cellule staminali fetali umane prima di essere impiantate nel cervello o nel midollo spinale di ratti sani, allo scopo di stimolarne il differenziamento in neuroni. La procedura si è rivelata efficace e permetterebbe di limitare il fenomeno per cui cellule staminali neuronali trapiantate nell’ospite tendono a svilupparsi non in neuroni veri e propri, ma in altri tipi cellulari con funzione di sostegno, normalmente presenti nel tessuto nervoso (cellule della nevroglia).

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Dibattito sulla clonazione terapeutica

Se vi è necessità di disporre di un numero adeguato di cellule staminali umane da destinare alla ricerca, in linea teorica la cosiddetta clonazione terapeutica potrebbe essere una soluzione al problema: produrre embrioni che sono cloni di individui adulti, prendendo nuclei di cellule somatiche e inserendoli in cellule uovo a loro volta denucleate. Ciò eviterebbe l’utilizzo (da alcuni ritenuto eticamente inaccettabile) degli “embrioni sovrannumerari”, cioè degli embrioni ottenuti con fecondazione in vitro e non destinati all’impianto nell’utero materno perché eccedenti, dunque mantenuti a tempo indeterminato in appositi congelatori. Insomma, la scelta parrebbe tra “embrioni costruiti” ed “embrioni naturali”. In realtà, il dibattito è acceso, e le implicazioni etiche, biologiche, legislative, religiose sono numerose.

La decisione del presidente statunitense George W. Bush, dell’agosto 2001, permetteva soltanto l’utilizzo delle 64 linee cellulari embrionali già esistenti e brevettate, ma vietava l’investimento di fondi pubblici in studi con nuove linee di cellule staminali di embrioni, sia sovrannumerari sia clonati. A tale decisione si allineò il ministro della Salute italiano Girolamo Sirchia. La Convenzione di Oviedo del 4 aprile 1997, approvata dal Consiglio d’Europa, vieta la clonazione terapeutica ma non vieta l’uso degli embrioni sovrannumerari, rimandando a ciascun governo dell’Unione la scelta. A infiammare la discussione è intervenuta la decisione della Gran Bretagna che, primo paese a emanare un simile provvedimento, nel 2002 ha autorizzato la clonazione terapeutica.

Alcuni ritengono inaccettabile tout court l’uso di embrioni e ritengono che le cellule staminali prelevate da adulto rappresentino una valida alternativa, così come quelle derivanti dal cordone ombelicale e dal midollo osseo. Altri ricercatori ritengono invece che la sperimentazione debba procedere parallelamente su entrambi i tipi di cellule, embrionali e adulte, e che possa addirittura integrarsi con le tecniche di ingegneria genetica per modificarne alcuni geni.

Nel caso del team di Bethesda sopra citato, nelle cellule embrionali è stato modificato un gene in modo da indurle a svilupparsi in neuroni sani; le cellule sono state impiantate nel tessuto cerebrale degli individui malati e hanno permesso la scomparsa dei sintomi più gravi e la sopravvivenza dei ratti. Nei primi tentativi di trattare il Parkinson con trapianto cellulare si erano usate cellule neuronali fetali non geneticamente modificate, ma si era in seguito osservata la scarsa capacità di queste cellule di regolare correttamente la produzione del neurotrasmettitore dopamina, correlato con la malattia.

Malgrado le polemiche, nel luglio 2004 la Gran Bretagna ha inaugurato la prima banca mondiale delle cellule staminali, alla quale i laboratori di tutto il mondo potranno afferire per la custodia, la clonazione e lo scambio di queste preziose risorse. La speranza è quella di coordinare gli sforzi dei team internazionali e di favorire la messa a punto di terapie effettivamente applicabili ai malati di Parkinson, e altre malattie neurodegenerative. Il centro è chiamato UK Stem Cell Bank ed è situato presso il NIBSC (National Institute for Biological Standards and Control), istituto pubblico di ricerca già noto a livello internazionale come ente specializzato nel controllo degli standard qualitativi di prodotti biologici come vaccini e derivati del sangue.