Cellule iPS e riprogrammazione: trasformare ogni cellula del corpo in una cellula staminale
La riprogrammazione ci permette di trasformare ogni cellula del nostro corpo in una cellula staminale pluripotente. La sua scoperta nel 2006 ha sorpreso molti scienziati e cambiato il nostro modo di pensare il funzionamento delle cellule. La riprogrammazione ha aperto la strada a eccitanti possibilità di ricerca e cura di diverse malattie.
Le cellule staminali embrionali (SE) erano ritenute essere l’unica fonte di cellule pluripotenti, fino a che nel 2006 Kazutoshi Takahashi e Shinya Yamanaka hanno dimostrato che le cellule della pelle possono essere riprogrammate in cellule pluripotenti “indotte” (iPS) aggiungendo artificialmente quattro geni.
Le opportunità che le cellule iPS offrono per studiare, trattare e potenzialmente curare malattie hanno esaltato i ricercatori. Le cellule iPS inoltre evitano molte questioni morali che accompagnano l’uso delle cellule staminali embrionali.
Le cellule iPS offrono ai ricercatori un’ottima piattaforma per creare e studiare cellule malate con lo stesso materiale genetico dei pazienti.
I ricercatori stanno cercando di capire meglio come funzioni il processo di riprogrammazione cellulare, in modo da sviluppare metodologie migliori per controllare la differenziazione delle cellule staminali.
Le cellule iPS stanno essendo usate per studiare e sviluppare trattamenti per molte malattie. Potrebbero ad esempio essere usate come piattaforma per rimpiazzare cellule distrutte in varie patologie.
Gli errori genetici che causano malattie variano da paziente a paziente. Le cellule iPS renderebbero possibili trattamenti su misura per sistemare i problemi genetici specifici del paziente. Inoltre, i trapianti di cellule iPS non sarebbero rigettati dal sistema immunitario, poiché queste cellule sono create dalle cellule del paziente stesso.
Molti studi hanno dimostrato come le cellule iPS e le cellule staminali embrionali spesso funzionino diversamente, probabilmente perché le cellule iPS non sono in verità riprogrammate “al 100%”. I ricercatori stanno ancora determinando quali possano essere gli effetti di queste differenze per la ricerca e per la medicina.
Sfide tecniche e la nostra ancora limitata comprensione delle cellule iPS rendono difficile controllare le cellule staminali, e predire come cellule ottenute da iPS potranno comportarsi nel corpo.
Nonostante trattamenti medici che usino cellule iPS personalizzate possano sembrare invitanti, sviluppare trattamenti efficaci e a prezzi accessibili a base di cellule iPS rimane ancora una sfida significativa.
Nel 2006, Shinya Yamanaka ha fatto una sensazionale scoperta che, solo sei anni più tardi, gli è valsa il premio Nobel in fisiologia e medicina: ha scoperto un nuovo modo per ‘riprogrammare’ cellule specializzate adulte in cellule staminali. Queste cellule cresciute in laboratorio sono pluripotenti –ossia possono produrre ogni cellule del corpo- e vengono chiamate cellule staminali pluripotenti indotte, o cellule iPS. In natura solo le cellule staminali embrionali sono per natura pluripotenti. La scoperta di Yamanaka significa che, in teoria, ogni cellula del corpo capace di dividersi può ora essere trasformata in una cellula pluripotente.
Come vengono prodotte queste cellule iPS? Yamanaka ha aggiunto quattro geni a cellule della pelle di topo. Questo ha iniziato all’interno della cellula un processo chiamato riprogrammazione e, in 2-3 settimane, le cellule della pelle sono state convertite in cellule staminali pluripotenti indotte. Gli scienziati possono ora fare ciò anche con cellule umane, e aggiungendo perfino meno di quattro geni.
Questo corto film introduce la scienza dietro la riprogrammazione. Vedi il film di 16 minuti che riproduce la storia della scoperta di Yamanaka. (disponibile con sottotitoli in italiano)
Le cellule iPS e le cellule staminali embrionali sono molto simili. Sono capaci di autorinnovarsi, che significa che possono dividersi e produrre un numero indefinito di copie di se stesse. Entrambi i tipi di cellule staminali possono essere utilizzate per derivare praticamente ogni tipo di cellula specializzata quando coltivate in precise condizioni in laboratorio. Sia le cellule iPS che le staminali embrionali possono aiutarci a comprendere come le cellule specializzate si sviluppano a partire da cellule pluripotenti. In futuro potrebbero anche essere una fonte illimitata di cellule da usare per rimpiazzare cellule o tessuti in pazienti che hanno patologie ad oggi incurabili.
A differenza delle cellule staminali embrionali, la generazione di cellule iPS non fa uso di cellule derivate da un embrione nelle prime fasi di sviluppo. Ci sono altre differenze? Ricerche recenti suggeriscono che alcuni geni si comportano diversamente in cellule iPS rispetto a quanto facciano nelle staminali embrionali. Ciò è dovuto ad una incompleta riprogrammazione delle cellule e/o a modificazioni genetiche acquisite dalle cellule iPS durante la loro crescita. Gli scienziati stanno studiando questi processi in dettaglio per scoprire in che modo tali differenze potrebbero influenzare l’utilizzo di cellule iPS nella ricerca di base o in applicazioni cliniche. Maggiore ricerca è necessaria solo per comprendere meglio come avviene la riprogrammazione all’interno della cellula. Per questo al momento la maggior parte degli scienziati non credono sia possibile sostituire le cellule staminali embrionali con le cellule iPS nella ricerca fondamentale.
Un passaggio importante nello sviluppo di una terapia per curare una malattia consiste nel comprendere con precisione come la malattia funziona: cosa esattamente va storto nel corpo? A tale scopo i ricercatori devono studiare le cellule o il tessuto affetti dalla malattia, ma non è sempre così semplice come sembra. Per esempio, è praticamente impossibile ottenere cellule cerebrali da un malato di Parkinson, specialmente nelle prime fasi della malattia quando il paziente non presenta alcun sintomo. Riprogrammare significa dare accesso agli scienziati a a un gran numero di neuroni (cellule del cervello) del particolare tipo affetto nel Parkinson. I ricercatori producono prima cellule iPS da, per esempio, biopsie di pelle da pazienti affetti da Parkinson, quindi usano le cellule iPS per produrre neuroni in laboratorio. Questi neuroni hanno lo stesso patrimonio genetico (contengono gli stessi identici geni) delle cellule del paziente. Quindi gli scienziati possono lavorare direttamente con neuroni affetti da Parkinson in una piastra. Possono utilizzare queste cellule per investigare cosa va storto al loro interno e perché. Modelli di malattia cellulare come questo possono anche essere utilizzati per la ricerca o per lo studio di nuovi farmaci da utilizzare per trattare i pazienti affetti dalla malattia stessa.
La riprogrammazione cellulare porta con se un grosso potenziale per nuove applicazioni mediche, come terapie basate sulla sostituzione cellulare. Dal momento che le cellule iPS possono essere prodotte da pelle di un paziente, possono essere utilizzate per produrre cellule specializzate che coincidono con quelle del paziente stesso e non vengono così rigettate dal sistema immunitario. Se il paziente è portatore di una malattia genetica, questa potrebbe essere corretta nelle sue cellule iPS in laboratorio. Le cellule riparate possono quindi essere utilizzate per produrre cellule specializzate sane specifiche per il paziente da trapiantare nel paziente stesso. Purtroppo questa applicazione è attualmente solo teorica.
Fino a poco tempo fa il processo di produzione delle cellule iPS implicava modificazioni genetiche permanenti all'interno della cellula che potevano provocare la formazione di tumori. Gli scienziati hanno ora sviluppato metodi di generazione delle cellule iPS che non fanno uso di modificazioni genetiche. Queste nuove tecniche sono un passo in avanti verso la produzione di cellule specializzate da cellule iPS che sarebbero sicure se usate nei pazienti. Ulteriore ricerca è ora necessaria per comprendere a pieno come funziona la riprogrammazione, per imparare a controllare le cellule iPS e ottenere la loro produzione in maniera consistente e secondo criteri di qualità tale da permettere il loro utilizzo clinico.
Questo articolo è stato creato da Manal Hadenfeld, aggiornato nel 2012 da Michael Peitz e Annette Pusch e corretto da Oliver Bruestle.
La fotografia di Shinya Yamanaka è di Rubenstein. Le altre immagini sono di Michael Peitz, Johannes Jungverdorben e Michael Rossbach.
Traduzione in italiano di Roberto Bandiera.