Le cellule madre staminali sono le uniche ad avere la capacità di autorinnovarsi e di formare almeno una o, in molti casi, vari tipi di cellule specializzate.
L’insieme delle cellule specializzate che derivano da una cellula madre originale viene denominato lignaggio cellulare. É necessario distinguere almeno quattro tipi di cellule madre:
a) Le cellule madre unipotenti: sono cellule che possono produrre un tipo cellulare, per esempio la spermatogonia che genera solo un tipo di cellula differenziata: lo spermatozoide.
b) Le cellule madre multipotenti: sono cellule che possono produrre un solo tipo di lignaggio cellulare. Per esempio le cellule madre ematopoietiche (o del sangue) che producono solo cellule della stirpe ematopoietica (globuli rossi e tutti i tipi di globuli bianchi).
c) Le cellule madre pluripotenti: sono cellule che possono generare diversi tipi di lignaggi cellulari. Per esempio cellule madre embrionali, cellule di carcinoma embrionale e cellule embrionali germinali. Queste ultime verranno trattate più avanti.
d) La cellula madre totopotente: é quella cellula madre che può generare tutte le cellule del corpo, esiste solo una cellula con questa capacità ed è proprio lo zigote o embrione unicellulare. Dei quattro tipi di cellule madre descritti qui, il secondo e il terzo possono essere utilizzati per ottenere vari tessuti e pertanto sono quelli che hanno implicazioni nei processi di clonazione 1 . Pluripotenti Dato che le cellule madre pluripotenti hanno la capacità di generare qualsiasi tipo cellulare presente nel corpo umano, ci potrebbe essere la possibilità di molti trattamenti per determinate malattie che sono la conseguenza di gravi alterazioni di un determinato tessuto o organo. In teoria, si potrebbero produrre neuroni e cellule di glia per trattare malattie neurogenerative come il morbo di Parkinson o di Alzahimer, si potrebbero produrre cellule muscolari per trattare distrofie muscolari e malattie cardiache, si potrebbero ottenere cellule madre ematopoietiche per il trattamento di leucemie e AIDS.
E la lista potrebbe continuare. Le cellule madre pluripotenti si possono ottenere partendo da tre fonti: a) A partire da teratocarcinomi o carcinomi embrionali: cellule di carcinoma embrionale (EC). I teratocarcinomi sono tumori gonadali che contengono un’ampia varietà di tissulare che derivano dai tre strati cellulari che formano un embrione (endoderma, mesoderma ed ectoderma) 2 , 3 . Questi tumori contengono una grande varietà di tessuti compresi cartilagine, epitelio, neuroectoderma primitiva, strutture gangliari, muscolo, osso ed epitelio ghiandolare. Le cellule differenziate del tumore si formano a partire dalle cellule madre pluripotenti di carcinoma embrionale che derivano, a loro volta, da cellule primordiali germinali dell’embrione post-impianto (che sono i precursori embrionali dei gameti) 4 , 5 . Questo tipo di cellule madre (EC) sono uno dei componenti principali dei tumori testicolari nell’uomo. Le EC sono state coltivate isolandole da tumori 6 , 7 , 8 , ed è stato verificato che a partire da essi si potrebbero ottenere certi tipi di tessuti. Probabilmente uno degli esperimenti più spettacolari è quello realizzato nel 1998 negli USA in cui una linea cellulare di un tumore testicolare è trattata in laboratorio con acido retinoico. Questo fattore ha permesso di ottenere cellule nervose a partire dalle cellule del tumore che sono state impiantate nei ratti riuscendo a rigenerare i loro danni celebrali. L’esperimento è stato ripetuto per il trattamento dell’infarto cerebrale (ictus) di una donna di 62 anni. b) A partire dagli embrioni umani: cellule madre embrionali (ES).

Le cellule madre embrionali derivano dallo strato interno cellulare dell’embrione pre-impianto nel suo stato di blastocisti 9 , 10 . A partire da queste si ottengono tutti i tipi di tessuto che compongono il corpo umano. Sono state coltivate cellule madre embrionali derivanti da blastocisti di ratti e da blastocisti umani (tra le altre specie). Le cellule così coltivate sembrano avere la capacità di rimanere in coltura indefinitamente. Per ottenere queste cellule madre embrionali e coltivarle in laboratorio allo scopo di ottenere differenti tipi di tessuto, l’embrione necessariamente muore. Su questo si basa il problema etico relativo all’uso di queste cellule madre embrionali come materiale biologico precursore di tessuti, poiché nel processo di ottenimento, la morte dell’embrione è inevitabile. c) A partire da cellule germinali embrionali (EG). Le EG derivano da cellule germinali primordiali dell’embrione post-impianto. Questo tipo di cellule madre si possono ottenere a partire da tessuti di feti abortiti, così come ha fatto recentemente il gruppo del Dr. Gearhart11 . Stando a quanto descritto nella pubblicazione del gruppo del Dr. Gearhart, le cellule EG in coltura e in presenza di siero e di certi fattori sono morfologicamente indistinguibili dalle cellule EC o dalle EG. Adulte Come già accennato, le cellule madre non sono un tipo cellulare esclusivo degli embrioni, ma si trovano anche in alcuni tessuti del corpo umano di un adulto. Sono le cosiddette cellule madre multipotenti o cellule madre adulte. Tra di esse si trovano le cellule madre ematopoietiche da cui si ottengono tutte le cellule sanguinee; o le cellule precorritrici dei neuroni e delle cellule di glia chiamate anche neuroblasti, o le cellule madre dello strato basale dell’epidermide, capaci di generare le varie cellule epiteliali, ecc. La differenza principale tra cellule madre pluripotenti derivate da embrioni o le cellule madre multipotenti derivate da un adulto consiste nel il numero di lignaggi cellulari che ognuna può produrre. Fino a poco tempo fa, si accettava l’idea che le cellule madre multipotenti adulte potessero produrre solo un lignaggio cellulare, mentre le pluripotenti embrionali potessero generare vari lignaggi cellulari. Studi recenti mostrano come molte cellule multipotenti sono capaci di formare una varietà di tipi cellulari più ampia di quanto si era creduto finora.

Come esempio possono essere citati alcuni dei lavori pubblicati nelle più prestigiose riviste scientifiche che evidenziano come le cellule madre adulte multipotenti, nelle condizioni idonee di coltura, possano generare stirpi cellulari diverse da quelle che si poteva inizialmente pensare. Questo è il caso del lavoro pubblicato dal gruppo di Vescovi 12 , in cui si descrive come, nei ratti, cellule madre adulte nervose possano trasformarsi in cellule sanguinee. La plasticità o versatilità che bisogna attribuire ai neuroblasti alla luce del lavoro di Vescovi non sono esclusive di questo tipo cellulare. Di fatto, troviamo lavori simili in letteratura con cellule mesenchinali 13 che, come è stato pubblicato su Science, possono essere precorritrici di cellule differenziate di cervello. Invece, la plasticità delle cellule mesenchinali viene ampiamente trattata nel lavoro, pubblicato anch’esso su Science, 14 da ricercatori dell’azienda Osiris Therapeutics e dall’Università Johns Hopkins. Nel marzo del 2000, un gruppo di ricerca di Filadelfia ha pubblicato un articolo in cui si dà conto dell’enorme proliferazione di cellule madre di midollo osseo ottenuta 15 . Con questo si è fatto un passo avanti verso l’applicazione clinica di questo tipo di cellule madre adulte. Un altro studio che ha avuto risultati simili è stato diretto dalla Dott.ssa Ira Blank della University of Medicine and Dentistry of New Jersey e da Darwin Prockop della Hahnemann University di Filadelfia 16 . Nel giugno del 2000 è stato pubblicato su Science uno studio dell’Istituto Karolinska di Stoccolma secondo cui le cellule madre neuronali adulte dei ratti sono capaci di produrre vari organi come cuore, muscoli, fegato, polmone e intestino 17 . Si è così dimostrato che le cellule madre neuronali adulte possiedono una capacità di sviluppo molto più ampia di ciò che si credeva e potenzialmente si potrebbero utilizzare per generare lignaggi di cellule per trapianti. Inoltre, le cellule neuronali dei ratti adulti sono state capaci di contribuire alla formazione di embrioni di ratti e di generare linee cellulari germinali. Nel luglio del 2000 due equipe di ricerca degli USA e della Gran Bretagna avevano dimostrato che le cellule madre del midollo osseo di esseri umani potevano generare tessuto epatico 18 , 19 . Nell’agosto del 2000 un’equipe di ricerca dell’Università del Sud della Florida ha dimostrato che la versatilità delle cellule madre sanguinee è tale da permettere persino la loro trasformazione in neuroni. Quando si coltivano cellule madre di midollo osseo di esseri umani e di ratti con determinati fattori di crescita, queste diventano cellule nervose immature 20 . Nel dicembre del 2000 è stato pubblicato un lavoro di un’equipe dell’Ospedale Pediatrico di Toronto, Canada, in cui si dimostra che esistono due tipi di cellule madre nel sistema sanguineo che differiscono per il tempo di sopravvivenza una volta trapiantate. Gli scienziati le hanno chiamate ripopolazione di cellule madre a breve e lungo termine. In questo modo ci sono alcune cellule che funzionano solo durante il primo mese per sparire successivamente, e ci sono altre cellule che iniziano a funzionare una volta trascorsi alcuni mesi e da quel momento non cessano di farlo 21 . Un altro lavoro, pubblicato su Nature Medicine 22 , dimostra la capacità delle cellule madre adulte di midollo osseo nel recuperare il danno cardiaco che si produce dopo un infarto. Sono stati pubblicati anche studi sulla capacità delle cellule madre epiteliali di generare neuroni, cellule di glia, cellule di muscolo liscio e adipocita 23 . Questi esempi bastano per illustrare l’enorme potenziale che esiste nelle cellule madre adulte. In principio si credette che le cellule madre adulte avessero un potenziale limitato per la produzione di linee cellulari differenziate. Fino a poco tempo fa, la comunità scientifica era convinta che una cellula madre multipotente potesse generare solo cellule del tessuto a cui apparteneva. In questo modo, cellule madre sanguinee potevano produrre solo cellule di sangue; i neuroblasti potevano produrre solo cellule del sistema nervoso, ecc. Invece, gli esperimenti indicati sopra e alcuni altri hanno chiarito che la capacità delle cellule multipotenti di generare diversi tessuti è condizionata dall’ambiente in cui si trovano e dai fattori chimici che in un determinato ambiente dirigono la loro differenziazione. Questo fatto, chiarisce che le cellule madre adulte presentano una plasticità (capacità di generare cellule di diversi tessuti) maggiore di quella che si credeva e quelle che fino ad oggi si chiamavano cellule madre multipotenti forse potranno essere presto inquadrate tra le cellule madre pluripotenti, tra cui si trovano le cellule madre embrionali. Conseguentemente cellule madre adulte possono essere immensamente utili per il trattamento di alcune malattie umane. È stato argomentato che le cellule madre adulte (rispetto alle cellule madre embrionali) non possono essere mantenute in coltura indefinitamente senza perdere la loro plasticità. Tuttavia, studi recenti hanno mostrato che un tipo di cellule madre adulte multipotenti, le cellule precorritrici di oligodendrociti, possono crescere indefinitamente in coltura 24 . Questi studi suggeriscono che è possibile stabilire condizioni in cui le cellule madre adulte possono crescere indefinitamente.

Mònica Lòpez Barahona
Professor of Cellular Biology, Molecular Oncology and Bioethics
Francisco de Vitoria University Madrid