Lavoro di scienze

1. LE CELLULE
STAMINALI

2.  DEFINIZIONE: Le cellule staminali sono cellule primitive non ancora dotate di
specializzazione, ma capaci di trasformarsi in diversi tipi di cellule del corpo, con funzioni
speciali; sono cellule «madri» che rimangono immature, finché non interviene uno stimolo
che le induce a differenziarsi in cellule specializzate per adempiere ad una specifica
funzione (diventare organi o tessuti).
 CARATTERISTICHE FONDAMENTALI DI UNA CELLULA STAMINALE:
Le cellule staminali possiedono 2 fondamentali proprietà:
1. la capacità di autorinnovarsi, ovvero rinnovare se stesse attraverso la
divisione cellulare, a volte dopo lunghi periodi di inattività detti di latenza o
dormienza. La capacità di auto-rinnovamento implica il fatto che almeno una
delle due cellule che si originano in seguito alla divisione cellulare, debba
restare staminale per cui c’è sempre una riserva di staminali a disposizione.
2. la capacità di specializzarsi, di diventare cioè cellule di tessuti o di organi
specifici con funzioni particolari.

3.  COME POSSONO ESSERE CLASSIFICATE LE CELLULE
STAMINALI?
Le cellule staminali si possono suddividere, in base alla
loro capacità di differenziazione, in quattro tipi:
1. totipotenti in grado di sviluppare un intero
organismo ed anche dei tessuti extra- embrionali
come lo zigote.
2. Pluripotenti in grado di differenziarsi in tutti i tipi di
cellule di un individuo adulto tranne che nelle
cellule extra-embrionali.
3. Multipotenti in grado di differenziarsi solamente in
alcuni tipi di cellule come quelle del sangue.
4. Unipotenti in grado di specializzarsi in un solo tipo
di cellula.

4.  PARTIAMO DALL’EMBRIONE:
Occorre partire dall’origine della vita, cioè dal momento in cui due cellule sessuali, la cellula uovo e
lo spermatozoo, si incontrano e si fondono in un’unica cellula detta zigote. La cellula staminale per
eccellenza, quella totipotente, è proprio lo zigote in quanto è in grado di dare origine ad un
organismo completo.
Nella specie umana la prima divisione cellulare dello zigote avviene dopo circa 24 ore dalla
fecondazione e porta alla formazione di 2, 4, 8 cellule, dette blastomeri.
Fu il biologo tedesco Hans Driesch (1867-1941) il primo ad introdurre il concetto di potenza alla
fine dell’800, grazie alle sue ricerche sull’uovo di riccio di mare: egli notò che separando un
embrione composto da due sole cellule, ciascuna di esse poteva dare vita ad un animale
completo. Queste cellule sono appunto totipotenti.
 QUANTO DURA LA TOTIPOTENZA?
La totipotenza non dura a lungo in seguito alle divisioni dello zigote, ma viene persa dopo lo
stadio a otto cellule. In altre parole, se si separassero gli otto blastomeri che formano l’embrione in
questa fase dello sviluppo potrebbero generarsi potenzialmente otto individui identici o gemelli
monozigoti.
Superato questo momento, alla successiva divisione cellulare, si assiste alla formazione di un
abbozzo sferico di 16 cellule, somigliante al frutto della mora (da cui il nome morula, piccola mora,
che viene dato all’embrione a questo stadio). Le cellule della morula non possono più dare origine
ad un individuo completo se separate dal resto in quanto posseggono già destini in qualche
modo segnati. Siamo intorno al 4° giorno dalla fecondazione.

5.  DOVE SI TROVANO LE CELLULE STAMINALI PLURIPOTENTI?
Solo le cellule staminali dell’embrione hanno la possibilità di trasformarsi in tutti i tipi di cellule che si trovano in un
organismo adulto. A circa una settimana dalla fecondazione, l’embrione si trova allo stadio di blastocisti. Le cellule
del nodo embrionale sono staminali pluripotenti, poi- ché possono originare tutti i vari tipi di cellule specializzate,
ma non sono più capaci di formare un organismo intero se prese singolarmente.
 CHI HA SCOPERTO LE CELLULE STAMINALI EMBRIONALI?
• Era il 1981 quando due genetisti dell’Università di Cardiff in
Inghilterra riuscirono per la prima volta ad isolare queste cellule da
embrioni di topo e a farle crescere in laboratorio fino ad ottenere le
cosiddette cellule staminali embrionali.
•Nel 1998, presso l’Università del Wisconsin (Stati Uniti), James Thomson isolò per la prima
volta delle cellule staminali embrionali umane, riuscendo a generare delle linee cellulari
stabili nel tempo. Nello stesso anno la rivista scientifica Science pubblicò questa ricerca con
un articolo intitolato “Linee di cellule staminali embrionali derivate da blastocisti umane”. La
notizia ebbe un eco grandissimo sui media, anche perché generò enormi polemiche in
quanto la ricerca aveva comportato la distruzione di embrioni umani.
• Nel 2007 il gruppo di Thomson ha riportato un metodo per convertire le cellule
della pelle in cellule che somigliano molto alle cellule staminali embrionali.
Anche questi risultati hanno attirano molta attenzione perché rappresentano
una speranza per porre fine alla controversia sul piano etico sulla ricerca sulle
staminali embrionali.

6.  COME SI OTTENGONO CELLULE SPECIALIZZATE DALLE STAMINALI EMBRIONALI?
Grazie all’elevata capacità delle cellule pluripotenti di trasformarsi in ogni tipo cellulare, i ricercatori sono riusciti a
ottenere in laboratorio, a partire dalle staminali embrionali, cellule di diversi tipi come cellule epiteliali, muscolari,
nervose e così via.
Naturalmente per ottenere in laboratorio un tipo di cellula piuttosto che un altro i ricercatori devono dosare in
maniera opportuna le condizioni con cui vengono coltivate le cellule, come la quantità di ossigeno o il tipo di
materiale con cui vengono a contatto.
 I TRE FOGLIETTI EMBRIONALI:
Il periodo di tempo durante il quale una cellula staminale embrionale è pluripotente, in grado cioè di trasformarsi
in ogni tipo di cellula dell’organismo, è breve. Al termine della seconda settimana dalla fecondazione inizia infatti
un processo per cui l’embrione acquista la forma di un sacco a doppia parete, al quale viene dato il nome di
gastrula, e cominciano a delinearsi tre strati di cellule distinti detti foglietti embrionali:
• il foglietto esterno è detto ectoderma che da origine alla pelle, agli occhi e al sistema nervoso;
• Il foglietto interno è detto endoderma che da origine al rivestimento interno del tubo digerente e a molti
organi, come i polmoni, il fegato e il pancreas;
• Tra i due strati cellulari rimane una cavità (blastocele) nella quale si trovano le cellule da cui origina il terzo
foglietto embrionale, detto mesoderma che da origine ai muscoli, alle ossa, al tessuto connettivo, al sangue,
agli organi dell’apparato riproduttivo e dell’apparato escretore.
Pertanto, le cellule staminali che costituiscono l’embrione hanno acquisito dei tratti specifici che ne limitano la
capacità di specializzazione.
Man mano che lo sviluppo embrionale procede, le cellule staminali embrionali perdono progressivamente la loro
potenza. Si parla in questo caso di multipotenza.

7.  QUANDO LE STAMINALI POSSONO SPECIALIZZARSI IN UN SOLO TIPO DI CELLULA
Ci sono infine cellule staminali che non hanno la minima possibilità di scelta: sono le
cellule staminali unipotenti.
Si tratta di cellule staminali che possono trasformarsi unicamente in solo tipo di cellula
specializzata. Queste si trovano solo nell’organismo adulto e costituiscono un serbatoio
per i tessuti ad elevato ricambio come la pelle e l’intestino.
Un esempio classico di cellule staminali unipotenti è fornito proprio dalle cellule staminali
che formano lo strato più profondo dell’epidermide, detto strato basale o germinativo. Le
cellule di questo strato si dividono continuamente, dando origine ad una cellula staminale
unipotente.

8. UN’ALTRA CLASSIFICAZIONE…
Un’altra classificazione comune delle cellule staminali si basa sulla loro sede di origine.
Esistono infatti:
• cellule staminali embrionali: sono staminali pluripotenti che si trovano nell"embrione;
possono essere raccolte e dunque impiegate solo a costo della distruzione o forte
manipolazione dell"embrione stesso; per questo motivo il loro uso rappresenta un tema
controverso sul piano bioetico.
• cellule staminali del cordone ombelicale: si tratta di staminali contenute nel sangue
cordonale. Vengono raccolte subito dopo il parto, senza alcuna conseguenza negativa
per il neonato, né per la madre. Per questa ragione, l’uso di cellule staminali del cordone
ombelicale non solleva alcuna problematica di tipo morale.
• cellule staminali adulte: tali cellule sono contenute verosimilmente in tutti i tessuti e gli
organi dell’individuo adulto. Le cellule staminali adulte più utilizzate per applicazioni
cliniche sono quelle ematopoietiche, che generano ogni cellula del sangue esistente e
quelle mesenchimali, che invece danno origine a più tipi cellulari (come, per esempio,
cellule cartilaginee e adipose).

9. RECENTI SCOPERTE…
Recentemente sono state scoperte le cellule staminali del liquido amniotico e, grazie al
lavoro del ricercatore e premio Nobel Shinya Yamanaka, sono state create in laboratorio
delle staminali “artificiali”, le cosiddette staminali pluripotenti indotte (Ipsc, Induced
Pluripotent Stem Cells).
 COME SI OTTENGONO?
Le cellule iPS sono ottenute introducendo 4 particolari geni (Oct3/4, Sox2, Klf4, e c-Myc)
nelle cellule somatiche tramite retrovirus che trasportano il DNA. Dopo qualche
settimana in coltura, si è osservato che potevano essere riprogrammate fino a tornare
pluripotenti in uno stato simile a quello delle cellule staminali embrionali. Infine
potevano essere differenziate in cellule nervose, del cuore, del fegato (epatociti) e del
pancreas (β-cellule pancreatiche).
Si è scoperto che è possibile creare iPS anche con combinazioni di geni diversi (Oct3/4,
Sox2, Nanog and Lin28) e usando plasmidi o molecole di RNA sintetico al posto dei
retrovirus.

10. NOBEL 2012, PER LA MEDICINA ASSEGNATI
A SHINYA YAMANAKA E JOHN GURDON
 I due specialisti sono stati premiati per le ricerche che hanno consentito di scoprire che "le cellule mature
possono essere riprogrammate per diventare pluripotenti" ovvero non più differenziate per un particolare
tipo di tessuto.
 Con la riprogrammazione delle cellule umane gli scienziati hanno creato nuove opportunità di studio delle
malattie e di sviluppo dei metodi per la diagnosi e la terapia. Il Nobel per la Medicina dato a John Gurdon e
a Yamanaka premia le 'staminali etiche'.
 Il lavoro dei due ricercatori ha infatti permesso di scoprire che è possibile 'riprogrammare' le cellule adulte
fino ad uno stato 'pluripotente' (da cui la sigla Ips, Induced Pluripotent Stem Cells), in cui sono in grado di
dar vita a diversi tipi di tessuto. Primo di questa loro scoperta queste cellule staminali potevano essere
ottenute solo attraverso la distruzione degli embrioni.
 Nel 1962 il ricercatore britannico ha scoperto studiando una rana che il DNA delle cellule adulte contiene
tutte le informazioni necessarie per trasformarle in qualunque altro tipo di cellula, contraddicendo tutte le
teorie precedenti che invece affermavano che la trasformazione in adulta fosse irreversibile. La ricerca,
inizialmente contestata, è poi stata largamente confermata, e ha portato ad esempio allo sviluppo di metodi
per la clonazione degli animali.
 Nel 2006 invece Yamanaka, che ha 50 anni, è riuscito a sfruttare l'informazione raccolta da Gurdon
dimostrando che delle cellule della pelle di topi possono essere riprogrammate e diventare immature. Il
lavoro del ricercatore giapponese è partito dalla ricerca dei geni che mantengono le cellule pluripotenti
ottenute dalle staminali embrionali immature. Dopo averne trovati quattro li ha inseriti, in differenti
combinazioni, nei fibroblasti, le cellule del tessuto connettivo, scoprendo che 'basta' inserirli tutti e quattro
per farle regredire.

11. POTENZIALITA’:
• Le cellule iPS sono una grande promessa per la cura di numerose patologie ad
oggi incurabili. Esse infatti costituiscono una fonte di cellule per la sostituzione
e la rigenerazione di tessuti danneggiati a causa di malattie, lesioni, difetti
congeniti o invecchiamento. Si pensa che potranno anche essere usate per la
creazione di farmaci.
RISCHI:
• Nonostante ciò, ci sono ancora molti problemi da risolvere. Uno dei geni usati
(c-Myc) per ottenere le iPS è un noto oncogene che promuove la formazione
di tumori come è stato riscontrato nei primi topi in cui sono state trapiantate. In
seguito, il team di Yamanaka è riuscito nella creazione delle iPS senza utilizzare
il c-Myc e, nonostante il processo sia più lungo e dia origine a meno cellule,
nessuno dei 26 topi in cui sono state trasferite ha evidenziato la formazione di
tumori. Lo stesso può essere fatto con cellule iPS ottenute da fibroblasti umani.
• Altri studi hanno rivelato che le cellule derivate dalle iPS hanno un tasso di
morte cellulare (apoptosi) più elevato di quelle derivate da cellule staminali
embrionali. Inoltre, la loro capacità di proliferazione è molto minore. Le
anomalie delle cellule iPS potrebbero essere dovute all'utilizzo dei virus nella
loro formazione.
• Infine, è stato recentemente dimostrato che il processo di riprogrammazione è
responsabile di anomalie genetiche e danni sul DNA sotto forma di
cancellazione o ingrandimento di regioni di genoma su alcuni cromosomi.
Queste mutazioni alterano le proprietà delle cellule staminali impedendone
l'utilizzo nella cura di malattie o nella creazione di farmaci.
https://www.youtube.c
om/watch?v=tXmmLG
plyNc

12. LE STAMINALI SONO ALLA BASE DELLA
MEDICINA RIGENERATIVA
La medicina rigenerativa a base di cellule staminali segue due filoni principali:
1. la terapia cellulare, che utilizza le cellule staminali così come sono;
2. la terapia genica, che modifica il corredo genetico delle cellule così che vengano
corretti i difetti genetici che altrimenti continuerebbero a trasmettere la malattia
nell’organismo.

13. Il punto di forza delle cellule staminali è la loro capacità di trasformarsi in diversi tipi di cellule e i ricercatori nel mondo
stanno studiando i processi di differenziazione cellulare. Così come tutto l’organismo umano, le staminali rispondono
all’ambiente circostante e, se si riuscissero a capire i metodi per influenzarle in modo appropriato, si potrebbero
migliorare le tecniche di ricostruzione dei tessuti danneggiati. Fino ad oggi, la maggior parte delle ricerche sono state
fatte su supporto statico su cui vengono poi messe le cellule ma un team multidisciplinare, composto da ricercatori di
diverse università e istituti tedeschi, ha utilizzato un'impalcatura dinamica.
Gli scienziati si sono serviti di un foglio di polimero (SMPA) che si comporta come un muscolo artificiale e che risponde in
modo reversibile ai cambiamenti di temperatura. L’idea è di far allungare il foglio man mano che la temperatura passa da
quella corporea (37°C) a 10°C e, viceversa, di farlo contrarre quando viene riscaldato, in un ciclo di 60 minuti. Gli SMPA
sono unici in questo senso, dato che hanno una buona resistenza (circa 500 cicli di cambio di temperatura).
Una volta pronta e testata la base, sono state aggiunte le cellule staminali. Grazie allo stimolo termico e meccanico,
le cellule staminali sono state indotte a trasformarsi in cellule ossee. Sfruttando le variazioni di temperatura e il ripetuto
movimento del foglio polimerico, le cellule vengono in qualche modo istruite a fare quello che i ricercatori vogliono.
L’importanza della scoperta di materiali programmabili che permettono il controllo sulle colture cellulari è fondamentale
per aumentare il numero di sperimentazioni nell’ambito dell’ingegneria tissutale, abbassare i costi legati ai dispositivi di
controllo utilizzati finora e replicare l’ambiente complesso in cui le cellule vivono.
In questo caso sono state utilizzate le cellule staminali mesenchimali: un tipo di cellule multipotenti, note per la loro
capacità di dare origine a diversi tipi di cellule del tessuto scheletrico (come ad esempio la cartilagine, le ossa ed il
grasso), e particolarmente sensibili alle caratteristiche fisiche dell’ambiente circostante.
Le applicazioni di questa tecnologia sono molteplici, ad esempio essere utilizzati per curare le fratture ossee più gravi e
difficili da trattare, che il corpo non riesce a riparare in autonomia. Infatti, dopo un prelievo di cellule staminali del midollo
osseo del paziente, queste ultime potrebbero essere coltivate sul foglio polimerico e applicate in seguito sull’osso rotto.
Questo impiego delle staminali dovrebbe rafforzare l’osso in modo diretto e potrebbero diventare parte della tecnologia
a disposizione dei chirurghi ortopedici per gestire le fratture complesse. È però fondamentale approfondire gli studi per
comprendere quali combinazioni di stimoli siano le più efficaci per produrre tessuti utili alla rigenerazione del corpo
umano.
UNO STUDIO TEDESCO HA DIMOSTRATO COME DETERMINATI STIMOLI POSSANO INDURRE LE CELLULE STAMINALI A DIFFERENZIARSI IN
TESSUTO OSSEO, IPOTIZZANDO APPLICAZIONI NELL’AMBITO DELLE FRATTURE GRAVI.

14. Un cuore che non riceva il corretto apporto di ossigeno è destinato a morire. I tessuti si atrofizzano e non
riescono più svolgere la loro funzione mandando il paziente incontro al rischio di infarto del miocardio (si
parla allora di cardiopatia ischemica). Infatti, la causa di questa situazione è l’aterosclerosi che concorre
all’ostruzione delle coronarie e aumenta il rischio di infarto. Per contrastare questa realtà i ricercatori hanno
puntato all’utilizzo di cellule staminali e un team di ricerca guidato dal prof. Yoshiki Sawa, del Dipartimento
di Chirurgia Cardiovascolare dell’Università di Osaka, è così riuscito a eseguire il primo trapianto di cellule
muscolari cardiache al mondo.
Tali cellule sono state ottenute da cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) del paziente stesso, sono state
coltivate in laboratorio e, per la prima volta, sono state trapiantate, al posto di un nuovo organo, sul
paziente. Si perché quando l’angioplastica o il bypass non siano più sufficienti, gli individui affetti da
cardiopatia ischemica sono costretti a sottoporsi a un trapianto di cuore. Il prof. Sawa, che ha alle spalle
una lunga esperienza in fatto di trapianti cardiaci e ha una grossa esperienza nel settore della terapia
genica e della medicina rigenerativa, ha studiato la possibilità di prelevare cellule della pelle e del sangue
per riportale ad uno stato embrionale pluripotente. È così che ha ottenuto le iPSC del paziente stesso. Tali
cellule sono state poi indotte a differenziarsi in cellule cardiache da somministrare al cuore malato,
sperando di vederle crescere e rimpiazzare quelle non più funzionanti per risparmiare così al paziente un
intervento invasivo come il trapianto che non è privo di rischi.
LO STUDIO CLINICO, CONDOTTO IN GIAPPONE, È IL PRIMO AL MONDO AD AVER UTILIZZATO CELLULE STAMINALI PLURIPOTENTI
INDOTTE OTTENUTE IN LABORATORIO PER IL TRAPIANTO SUL CUORE DEL PAZIENTE.

15. Un piccolo paziente colpito da una devastante malattia genetica che provoca lesioni sulla pelle è guarito grazie al trapianto di una nuova
pelle generata a partire dalle sue cellule staminali, modificate con terapia genica. Il risultato è stato raggiunto con il lavoro fondamentale
di un gruppo di ricercatori italiani.
Li chiamano "bambini farfalla" perché hanno la pelle fragile come le ali di questi insetti. Sono i bambini che soffrono di epidermolisi
bollosa, devastante malattia genetica che colpisce la pelle provocando la formazione di bolle, ulcere e lesioni in seguito al minimo
trauma.
La storia di questo doppio successo comincia nel giugno 2015, quando all'ospedale pediatrico di Bochum, in Germania, arriva Hassan, un
bambino di sette anni affetto da epidermolisi bollosa giunzionale, una delle forme più gravi della malattia. A causarla, nel suo caso, è una
mutazione del gene LAMB3, codificante per una componente di una proteina chiamata laminina-332, coinvolta nell'ancoraggio
dell'epidermide. Se la laminina manca o è difettosa l'ancoraggio non funziona, provocando un'estrema fragilità della pelle. Le condizioni
di Hassan sono sempre state piuttosto complicate; i medici non possono fare molto, salvo indurre un coma farmacologico per risparmiare
dolore al bambino e spiegare ai genitori che l'unica possibilità per cercare di salvarlo è un approccio sperimentale che combina terapia
con cellule staminali e terapia genica, messo a punto da un gruppo di ricerca italiano. I genitori acconsentono.
Quella realizzata è una terapia genica classica: le cellule staminali recuperate da una biopsia cutanea del bambino sono state trattate con
un vettore virale contenente la versione corretta del gene LAMB3, cioè una sequenza di materiale genetico virale opportunamente
modificato per accogliere e veicolare il gene di interesse, in modo che possa integrarsi nel genoma dell'ospite e fare le veci di quello
difettoso. A questo punto, le cellule corrette sono state coltivate fino a ottenere tanti fazzoletti di pelle transgenica (quadrati dal lato
compreso tra i 7 e i 12 centimetri), pronti per essere trapiantati.
Tutto lavoro fatto a Modena che ha raggiunto poi la Germania in meno di 48 ore perché i tessuti, una volta pronti, non possono
aspettare. Per non correre rischi, la prima volta la pelle transgenica ha viaggiato su un jet privato, fino alla sala operatoria di Bochum. La
conferma che ne era assolutamente valsa la pena è arrivata dieci giorni dopo il primo intervento, quando la rimozione delle garze ha
rivelato una pelle rosea e sana.
UNA NUOVA PELLE TRANSGENICA PER IL BAMBINO FARFALLA