Cellule staminali umane: una risorsa preziosissima

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Cellula staminale è un termine utilizzato per definire una cellula indifferenziata, in grado di dividersi per periodi indefiniti per autoriprodursi e dare origine ai numerosi tipi di cellule specializzate e ai tessuti che eseguono specifiche funzioni dell’organismo. Hanno diversi gradi di “potenza” a seconda dei tipi tissutali a cui possono dare origine. Le cellule staminali umane pluripotenti possono dare  origine a tutti i tessuti dell’organismo umano (con eccezione degli annessi embrionali). Tali cellule possono derivare sia dall’embrione nei primi stadi dello sviluppo (blastocisti a 8 cellule) (cellule staminali embrionali , hES), che, recentemente, anche da cellule somatiche riprogrammate (cellule staminali pluripotenti indotte, iPSC).

Le cellule staminali umane pluripotenti rappresentano, insieme alle colture primarie, delle valide sorgenti per l’allestimento dei sistemi in vitro complessi quali ad esempio gli organoidi (mini organi) e i body on a chip. Si tratta infatti di cellule “sane”, non derivate da linee cellulari immortalizzate. Una stessa linea cellulare staminale può dare origine a molti tessuti diversi, dall’epitelio polmonare alle cellule del sistema immunitario, tutti con lo stesso background genetico. L’omogeneità del background genetico è particolarmente importante per gli organi ed i sistemi di organi su chip, dove differenti tipi cellulari devono interagire tra loro per modellare la fisiologia e le malattie umane e devono essere evitate ad esempio reazioni di rigetto immunitario. Visto che una linea cellulare di iPSC può essere generata in modo relativamente semplice (a partire da biopsie cutanee, ad esempio) sono state create delle grandi librerie, di linee cellulari, derivate sia da sani che da pazienti, per poter ricreare in vitro specifiche patologie. Ciò costituisce la base di quelli che in un futuro si spera non troppo lontano, saranno i test clinici su chip.

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Alcuni esempi di applicazioni dell’utilizzo di cellule staminali umane come metodi alternativi agli animali (Replacement e Reduction) nei test di tossicità, teratogenesi,  nella produzione di topi GM (KO, Knock in, mutanti condizionali, ecc.):

  • Test di tossicità riproduttiva e teratogenesi,  neurotossicità, metabolismo e tossicocinetica. In tal caso si utilizzano ESCs umane e batterie di test differenti. Maggiori informazioni possono essere reperite sul sito del progetto europeo ESNATS¹.
  • Scoperta di nuovi farmaci (Giri et al 2015).
  • Nello studio delle malattie monogeniche (ad es. provocate da una gain of function di un singolo gene). In tal caso si possono utilizzare sia iPSC che ESCs: è possibile introdurre la mutazione specifica nella linea cellulare staminale attraverso la ricombinazione omologa.
  • Nello studio di malattie poligeniche o complesse. In tal caso si utilizzano le iPSC derivate da un paziente affetto, costruendo una sorta di modello personalizzato (paziente su chip). Questo è uno degli aspetti più affascinanti dell’impiego di cellule staminali umane  (van de Stolpe e den Toonder, 2013).
  • Modelli per lo studio della fisiologia e della patologia di specifici organi o sistemi, nonché dell’efficacia di farmaci (Lin et al 2014).
  • Studio dello sviluppo del cervello (Lancaster et al 2014) e di altri organi.
  • Studio delle malattie neurodegenerative in ambito pediatrico e non (Jang et al 2014, Cao et al 2014).
  • Studio della funzione dei geni e delle pathways molecolari collegate alle malattie. Ciò è possibile grazie all’utilizzo di una nuova tecnica di genome editing (ICRISPR), che permette la mutazione multipla, tessuto specifica ed inducibile di geni all’interno di un organoide derivato da iPSC. E’ così possibile studiare l’interazione tra geni e le patologie complesse su un sistema di rilevanza umana (González et al 2014).
  • Modellazione del danno epatico indotto da alcol (Tian et al. 2014)

Si tratta solo di esempi, giacché le potenziali applicazioni sono le più disparate, soprattutto se si considera la possibilità di combinare più tecnologie tra loro.

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Come sarebbe il processo di drug discovery con l’adozione delle più recenti tecnologie basate su cellule staminali umane.

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Com’è attualmente il processo di drug discovery.

I limiti dei modelli basati sulle cellule staminali

Per quanto riguarda le ESCs umane esistono dei problemi di tipo etico poiché per ottenerle è necessario distruggere degli embrioni allo stadio di blastocisti (8 cellule), che qualora impiantati in utero potrebbero dar origine ad un individuo. Nel caso delle IPSc questo problema non si pone poiché possono essere ottenute a partire da tessuti adulti. Le IPSc tuttavia presentano altri tipi di problemi: i protocolli di transdifferenziazione non sono ancora stati sufficientemente perfezionati, ne viene che le IPSc non sempre riescono a differenziarsi nel tipo cellulare desiderato. La coltura e la manipolazione delle cellule staminali richiede competenze ed esperienza notevoli, per minimizzare ed evitare che si creino anomalie cromosomiche, mutazioni e cambiamenti epigenetici. Le IPSc in particolare presentano spesso differenze nei pattern di metilazione rispetto alle corrispondenti embrionali. Tali variazioni epigenetiche potrebbero influenzare i fenotipi dei tessuti e degli organoidi da esse derivati. Il gold standard pertanto rimane attualmente ancora la cellula staminale embrionale. La sfida è riuscire a mettere a punto dei sistemi di coltura e dei protocolli di riprogrammazione e transdifferenziazione migliori al fine di ottenere delle iPSc e dei tessuti di buona qualità.

Riferimenti bibliografici

  1.  http://www.esnats.eu/index.php
  2. Cao L, Tan L, Jiang T, Zhu XC, Yu JT. Induced Pluripotent Stem Cells for Disease Modeling and Drug Discovery in Neurodegenerative Diseases. Mol Neurobiol. 2014 Aug 23.
  3. Giri S, Bader A. A lowcost, high-quality new drug discovery process using patient-derived induced pluripotent stem cells. Drug Discov Today. 2015 Jan;20(1):37-49.
  4. González F, Zhu Z, Shi ZD, Lelli K, Verma N, Li QV, Huangfu D. An iCRISPR platform for rapid, multiplexable, and inducible genome editing in human pluripotent stem cells. Cell Stem Cell. 2014 Aug 7;15(2):215-26.
  5. Lin H, Lozito TP, Alexander PG, Gottardi R, Tuan RS. Stem cell-based microphysiological osteochondral system to model tissue response to interleukin-1β. Mol Pharm. 2014 Jul 7;11(7):2203-12.
  6. Lancaster MA, Knoblich JA.Generation of cerebral organoids from human pluripotent stem cells. Nat Protoc. 2014 Oct;9(10):2329-40.
  7. Jang J, Quan Z, Yum YJ, Song HS, Paek S, Kang HC. Induced pluripotent stem cells for modeling of pediatric neurological disorders. Biotechnol J. 2014 Jul;9(7):871-81. doi: 10.1002/biot.201400010. Epub 2014 Jun 25.
  8. van de Stolpe A, den Toonder J. Workshop meeting report Organs-on-Chips: human disease models. Lab Chip. 2013 Sep 21;13(18):3449-70.
  9. Tian L, Prasad N, Jang YY. In Vitro Modeling of Alcohol-Induced Liver Injury Using Human-Induced Pluripotent Stem Cells.

    Methods Mol Biol. 2014 Dec 18.

 

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