In principio c’è la cellula staminale, è l’origine della vita di un organismo (…).
(Stewart Sell, Stem Cells Handbook)

Le staminali sono cellule immature da cui derivano tutte le cellule specializzate che compongono gli organi;
sono cellule indifferenziate che, a differenza delle cellule mature, mantengono la capacità di auto-rigenerarsi e specializzarsi in tutti i tipi cellulari di cui un organismo è composto.
Queste cellule sono fondamentali sia nello sviluppo embrionale in cui dallo zigote, un ovulo fecondato consistente di un’unica cellula, viene data origine a qualunque tipo di cellula e tessuto del corpo, sia nell’individuo adulto in cui garantiscono un’inestinguibile riserva.
Nell’adulto risiedono in nicchie all’interno delle quali sono mantenute indifferenziate in uno stato di quiescenza e sono attivate mediante stimoli ambientali per garantire il fisiologico tournover delle diverse popolazioni tissutali (epitelio intestinale, cute, midollo osseo…) o per risanare tessuti usurati o danneggiati da lesioni o malattie.
La loro capacità auto-rigenerante, che permette di mantenere una riserva di cellule staminali a disposizione dell’organismo, è garantita da due metodi di replicazione: simmetrica e asimmetrica. Nella divisione asimmetrica (fig.1) una delle due cellule figlie resta identica alla madre e la seconda, definita “committed”, dà luogo a cellule precursore che si differenziano in cellule somatiche.

Fig. 1 Divisione asimmetrica

Nella divisione simmetrica invece le due cellule figlie possono essere identiche (divisione espansiva) (Fig.2A), o diverse (divisione differenziativa) (Fig.2B) dalla cellula madre staminale. L’equilibrio tra i due tipi di divisione garantisce l’auto-mantenimento di staminalità all’interno della popolazione. Questo sistema ha il vantaggio di poter aumentare o diminuire il numero di staminali entro un tessuto quando se ne presenti la necessità.

Fig. 2 Divisione simmetrica

La maggior parte delle cellule staminali utilizza entrambi i metodi di divisione (simmetrica ed asimmetrica) e l’equilibrio tra essi è controllato dallo stadio dello sviluppo dell’organismo e da fattori ambientali (1).

La capacità di specializzarsi garantisce alle staminali di coprire quasi l’intera gamma di cellule di tessuti dell’organismo con specifiche funzioni.
Questa proprietà è detta potenza ed è presente a diversi livelli a seconda della capacità differenziativa delle cellule.

Capacità differenziativa cellule staminali

  • Totipotenti
  • Pluripotenti
  • Multipotenti
  • Unipotenti

Totipotenti: capaci di dar luogo a tutti i tipi cellulari

Pluripotenti: capaci di produrre molti tipi diversi di cellule mature e tessuti ma non tutti (p.es da placenta, da sangue cordonale e da tessuti adulti).

Multipotenti: capacità differenziativa ridotta, danno origine alle diverse cellule mature di uno specifico tessuto (cellule emopoietiche che producono globuli rossi, bianchi e piastrine) o di diversi tessuti (cellule mesenchimali che producono cellule cartilaginee, ossee, tendinee e cardiache)

Unipotenti: danno luogo ad un solo specifico tipo di cellula matura (spermatogoni).

Le cellule staminali possono essere inoltre classificate in base alla provenienza:

  • Embrionali
  • Fetali
  • Cordonali e placentari
  • Adulte

Embrionali

Si trovano nell’embrione allo stadio di blastocisti (5-7 giorni dopo la fecondazione dell’ovulo) e possono essere prelevate, coltivate in vitro e mantenute come linee cellulari indifferenziate e specializzate. Sono state isolate per la prima volta nel topo nel 1981 e successivamente, nel 1989, nell’uomo; il loro utilizzo in medicina come terapia di gravi malattie è ancora limitato.
La limitazione è dovuta alla difficoltà di trasformare le cellule embrionali in cellule specializzate e all'ancora scarsa conoscenza dei processi che sottointendono al passaggio da staminale a differenziata. Esiste infatti il rischio che tali cellule replicandosi in maniera incontrollata possano diventare cancerogene formando teratomi.

Fetali

Sono estratte da feti tra la decima settimana di gestazione fino alla nascita. Hanno le proprietà delle cellule staminali adulte con il vantaggio di avere maggiori capacità differenziative.
In Italia l’Istituto Superiore di Sanità ha autorizzato nel 2012 la prima sperimentazione clinica in fase I per l’utilizzo di cellule staminali cerebrali derivate da feto abortito per il trattamento della Sclerosi Laterali Amiotrofica.

Cordonali e placentari

Cellule staminali residue del sangue e della placenta che hanno la capacità di dare origine a tutte le cellule del sangue, della linea sia mieloide sia eritroide. Possono essere facilmente conservate tramite congelamento in banche specializzate e utilizzate sia per uso autologo sia eterologo.
Sono utilizzate per curare diverse malattie del sangue in particolar modo per le leucemie.

Adulte

Cellule non specializzate presenti nell’individuo adulto che garantiscono il fisiologico turnover tissutale.

Cellule staminali

La possibilità di isolare le cellule staminali, espanderle e indirizzarle verso un tipo cellulare specifico è sfruttata dai ricercatori per produrre nuove cellule utilizzabili in medicina rigenerativa.
Per motivi etici inerenti l’uso delle cellule staminali embrionali, le ricerche si sono concentrate sulle cellule staminali adulte che rispetto alle prime mostrano minor plasticità ma una stabilità maggiore.
Tra tutte le staminali le Cellule Stromali Midollari hanno attirato l’attenzione dei ricercatori in quanto sono dotate di maggior plasticità, caratteristica che le rende particolarmente interessanti per la medicina rigenerativa.

Le cellule stromali midollari (CSM o MSC) costituiscono una popolazione di cellule staminali adulte multipotenti, di origine mesodermica, con morfologia fibroblastoide e capaci di differenziare in cellule del tessuto adiposo, cartilagineo, osseo, dello stroma che supporta l’ematopoiesi e del muscolo cardiaco.

In letteratura scientifica sono indicate anche come:

  • mesenchymal stem cell
  • colony forming fibroblastic cells
  • stromal fibroblasts
  • marrow stromal stem cells
  • mesenchymal progenitor cells
  • mesenchymal stromal cell

Le prime evidenze validanti l’esistenza di una popolazione staminale mesenchimale nel midollo risalgono al 1970 quando Friedstein e coll. (2) misero in coltura alcuni campioni di midollo osseo. Dopo 4, ore eliminando le cellule in sospensione nelle piastre di coltura, notarono la formazione di piccoli foci di cellule aderenti composti da 3-4 cellule dormienti per circa 4 giorni e che in seguito cominciavano a proliferare. Dopo alcuni passaggi in coltura queste cellule tendevano a diventare più omogenee e dalla forma affusolata. Dexter e coll. (3) riuscirono in seguito ad isolare le cellule aderenti e definire i 3 tipi cellulari presenti: macrofagi derivati dalle cellule emopoietiche, cellule endoteliali midollari e loro precursori e MSC.
Oggi si sa che le MSC sono virtualmente ubiquitarie rappresentando una componente dello stroma di molti tessuti: le troviamo nel tessuto muscolare, adiposo, nel sangue, nella matrice del cordone ombelicale e nel liquido amniotico, nel timo e nella milza.
La loro frequenza all’interno dei vari tessuti è però variabile:

  • Midollo osseo
    Da 1-3,4 MSC su 104 cellule mononucleate (MNC) nel neonato, a 0,5MNC nell’adulto di 80 anni (4)
  • Sangue cordonale
    0-2,3 su 108 MNC (5)
  • Cordone ombelicale
    1 MSC su 300 MNC (6); 1 MSC su 1609 (7)
  • Tessuto adiposo
    1 MSC su 32 MNC (8); 1 MSC su 4880 MNC (9)
  • Sangue periferico
    0-0,025 MSC su 106 MNC (10)
  • Fluido amniotico
    0,9-1,5% delle cellule totali presenti nel liquido (11)
  • Placenta
    (dati frequenza non disponibili)

Le MSC all’interno del tessuto in cui risiedono svolgono diverse specifiche funzioni:

1. ruolo protettivo a supporto dell’emopoiesi

Nel midollo osseo si trovano, in uno stato di quiescenza, in nicchie emopoietiche assieme ad osteoblasti. Le nicchie forniscono un microambiente protettivo che garantisce il mantenimento e il rinnovamento delle cellule staminali emopoietiche midollari isolandole da stimoli differenziativi e proapoptotici.
Dallo stato quiescente solo di rado le MSC entrano in mitosi compiendo una divisione cellulare asimmetrica: questo tipo di replicazione e il basso tasso di mitosi garantiscono sia uno stretto controllo del numero di cellule staminali sia la conservazione dell’integrità del genoma (il basso numero di replicazioni riduce il rischio di danni al DNA e successive mutazioni).

2. riparazione tissutale

Le MSC sono in grado di migrare spontaneamente nei tessuti di origine ed anche selettivamente in tessuti danneggiati; tale fenomeno è indicato come “multiorgan homing capacity”.
Sebbene il meccanismo di reclutamento attraverso il quale avviene il passaggio dall’endotelio vascolare al tessuto non sia ancora pienamente compreso, è probabile che siano coinvolte chemochine e relativi recettori in qualità di fattori di controllo della migrazione cellulare (12).
In sede di danno tissutale promuovono la rigenerazione del tessuto compromesso mediante differenziamento e secrezione paracrina di fattori anti infiammatori.

3. Controllo dei processi infiammatori mediante immunomodulazione in situ

Le MSC hanno spiccate proprietà immunoregolatorie: sono capaci di sopprimere reazioni immuni sia in vitro sia in vivo in modo indipendente dal complesso maggiore di istocompatibilità (MHC) (13-14). E’ stato dimostrato un effetto immunosoppressivo delle MSC attraverso un meccanismo che coinvolge tutte le popolazioni cellulari deputate alla risposta immunitaria, dai linfociti T (15-16), ai linfociti B (17), alle cellule NK (18,19) ed alle cellule dendridiche di origine monocitaria (20,21).
La capacità immunosoppressiva delle MSC risulta presente in diverse specie animali, anche se con meccanismi solo parzialmente chiariti.
Data la capacità di modulare la risposta immunitaria e di promuovere la riparazione dei tessuti, l’uso delle MSC è stato proposto anche nel trattamento delle malattie autoimmuni, cioè condizioni patologiche che alterano il normale funzionamento del sistema immunitario provocando una reazione diretta contro il proprio organismo riconosciuto come non self. La loro scarsa immunogenicità inoltre, permette di utilizzare in maniera intercambiabile MSC autologhe od allogeniche senza rischi apparenti per il ricevente.

Viste le loro potenzialità nella rigenerazione tissutale e nella terapia cellulare e genica, negli ultimi anni l’interesse verso le MSC è cresciuto esponenzialmente tanto da necessitare la creazione di linee guida per la loro definizione.
Il “Mesenchymal and Tissue Stem Cell Committee of the International Society for Cellular Therapy” (ISCT) ha proposto nel 2006 dei criteri minimi per la definizione delle MSC (22).

Tre le condizioni necessarie:

  1. adesione alla plastica in condizioni colturali standard
  2. espressione di uno specifico pattern di molecole di adesione sulla membrana cellulare a descrizione del fenotipo:
    1. Positive (≥95%) per: CD73, CD90, CD105
    2. Negative (≤2%) per: CD14, CD79, CD34, CD45, HLA-DR
  3. differenziazione in vitro in osteoblasti (23, 24), adipociti (25, 26) e condrociti (27,26)

Le MSC sono isolate in vitro sfruttando la loro capacità di aderire alla plastica; i tessuti di origine vengono lavorati e il prodotto è poi seminato in piastre da coltura. Eliminato il surnatante, le cellule sono coltivate utilizzando terreni idonei ed espanse per diverse popolazioni (28,29).
Sempre in vitro hanno dimostrato di possedere la capacità di differenziare in diversi tipi di cellule mesodermiche mature (osteociti, adipociti, condrociti) se mantenute in particolari terreni con l’aggiunta di specifici fattori. Inaspettatamente, inoltre, numerosi studi hanno dimostrato che le MSC possono trans differenziare in cellule appartenenti alle altre due linee germinative: neuroni (23), cellule endoteliali (30), cardiomiociti e miociti (25).

L’attuale sfida nella cura delle malattie è di realizzare farmaci il cui principio attivo siano le cellule, motivo per cui sempre più frequentemente si sente parlare di terapia cellulare e medicina rigenerativa.
Le cellule staminali mesenchimali, grazie alle loro capacità differenziative, immunomodulanti e di sostegno nella crescita cellulare, sono oggi considerate le candidate ideali per la cura delle malattie degenerative.

Molti sono gli studi che hanno dimostrato l’efficacia di queste cellule:

  • MSC sono state somministrate localmente, per correggere difetti scheletrici, anomalie congenite o acquisite dell’osso o della cartilagine (31-32).
  • Studi preclinici hanno dimostrato l’abilità delle MSC di attecchire e differenziare in numerosi tessuti/organi in seguito ad iniezione endovenosa sistemica (33,34) e di avere un particolare tropismo per le sedi di lesioni infiammatorie o neoplastiche.
  • In modelli animali di malattie immunopatologiche come la sclerosi multipla; in uno studio le cellule somministrate endovena in modelli murini hanno migliorato significativamente il decorso della malattia migrando negli organi linfoidi secondari e riducendo l’infiltrazione del sistema nervoso centrale da parte di linfociti T, B e macrofagi (35).
  • In un altro modello murino le MSC hanno inibito in vivo la produzione di anticorpi patogenetici e sono migrate nel sistema nervoso centrale senza transdifferenziare in cellule neuronali, ma in loco hanno ridotto l’infiammazione, la demielinizzazione e la perdita degli assoni (36).
  • In tre pazienti affetti da patologie dell’osso caratterizzate da ritardata guarigione delle fratture è stata eseguita con buoni risultati l’infusione locale di MSC autologhe, espanse in vitro, assieme a matrice di idrossiapatite (37);
    La somministrazione per via sistemica di MSC in tre bambini affetti da osteogenesi imperfetta ha dato significativi risultati clinici: accelerazione della velocità di crescita, aumento del contenuto minerale del corpo e riduzione delle fratture spontanee (38);
  • Sfruttando la loro capacità immunoregolatoria le MSC sono state utilizzate con successo nel trattamento della malattia da rigetto (GVHD) acuta a seguito di trapianto allogenico di cellule staminali emopoietiche (39,40).
    L’infusione di MSC prevalentemente allogeniche in pazienti affetti da GVHD acuta ha prodotto una risposta clinica completa in circa la metà dei pazienti con ridotta mortalità da trapianto dopo un anno e più elevata sopravvivenza complessiva dopo due anni dal trapianto (41).
    MSC sono state somministrate ai riceventi di trapianti di cellule staminali emopoietiche aploidentici dimostrando che esse modulano l’alloreattività dell’ospite e favoriscono l’attecchimento delle HSC allogeniche (42,43).

Un elenco sempre aggiornato delle sperimentazioni cliniche in corso in USA con cellule staminali si trova su sito http://clinicaltrials.gov

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