Riproduzione e fertilità: come potrebbero aiutarci le cellule staminali ?

COME POTREBBERO ESSERE USATE LE CELLULE STAMINALI PER LA PRODUZIONE DI OVULI E SPERMATOZOI?

Per molti che non riescono ad avere un figlio biologico a causa dell’assenza o di difetti di ovuli o spermatozoi, le notizie dei giornali sugli scienziati che producono ovuli o spermatozoi da cellule staminali pluripotenti in laboratorio potrebbero segnare una svolta. Ma cosa c’è di scientifico dietro questi titoli, e quali sono le limitazioni del progresso ? Questo documento DeR (Domande e Risposte) riassume i recenti sviluppi verso una cura dell’infertilità e delle malattie genetiche, con ovuli e spermatozoi generati dalle cellule staminali pluripotenti.

POSSIAMO PRODURRE OVULI E SPERMATOZOI DALLE CELLULE STAMINALI PLURIPOTENTI ?

Sì - nei topi. Non sono ancora stati prodotti ovuli e spermatozoi dalle cellule umane staminali pluripotenti (CSP). Sia ovuli che spermatozoi derivati da cellule staminali pluripotenti di topo sono stati in grado di generare, nei topi, cuccioli sani e fertili.

Due ricercatori dal Giappone hanno aperto la strada a questa tecnologia; Katsuhiko Hayashi e Mitinori Saitou. Nel 2011, sono stati i primi a mostrare che gli spermatozoi generati dalle CSP di maschi permettevano a topi infertili di avere cuccioli sani e fertili. Hanno poi continuato le loro ricerche mostrando l’anno successivo che le CSP di femmine potevano esser trasformate in ovuli che riuscivano a svilupparsi in cuccioli sani e fertili.

Questi risultati sono molto emozionanti e ci sono alcuni punti che sono stati critici per raggiungere un tale successo…

• Il tipo di cellula di partenza: in seguito all’impianto dell’embrione, la Massa Cellulare Interna si trasforma in cellule “dell’epiblasto”. Alcune di queste cellule dell’epiblasto escono dall’embrione in via di sviluppo e diventano cellule germinali primordiali (CGP). Queste CGP in seguito migrano di nuovo verso il feto e si stabiliscono nelle ovaie o nei testicoli in via di formazione, dove si trasformano rispettivamente in ovuli o spermatozoi. Anche se i ricercatori hanno riportato la produzione di cellule simili all’epiblasto (Rathjen 1999, Tesar 2007, Brons 2007), Hayashi e colleghi hanno mostrato che le Cellule Staminali dell’Epiblasto (CS-Epi) non erano molto efficaci nel generare le CGP.  Invece loro hanno sviluppato le Cellule Staminali simili all’Epiblasto (CL-Epi), un nuovo tipo di cellule di epiblasto a partire da staminali embrionali di topo, che diventano CGP, e in seguito ovuli o spermatozoi  in modo più efficiente.
• La purezza del tipo cellulare: quando si trasformano le staminali pluripotenti in specifici tipi di cellule e’ difficile che ogni cellula risponda esattamente nello stesso modo. Questo può generare tipi cellulari non necessariamente richiesti; ad esempio, nel caso di Hayashi e colleghi, cellule che formano tumori o cellule che non formano ovuli e spermatozoi. La purificazione delle CGP è stata quindi cruciale per eliminare quei tipi cellulari indesiderati.

L’esigenza della maturazione in vivo: anche se in entrambi gli studi sono stati generati cuccioli sani e fertili, il processo per la produzione di ovuli e spermatozoi maturi e funzionali ha richiesto il loro trapianto rispettivamente nelle ovaie o nei testicoli di topo. Scoprire come le ovaie o i testicoli causino questa maturazione sarà importante per far maturare le CGP in laboratorio e quindi per minimizzare procedure invasive e rischiose.

SI POSSONO PRODURRE OVULI DA CELLULE DI MASCHI O SPERMATOZOI DA CELLULE DI FEMMINE ?

Al momento non vi sono evidenze nei mammiferi che si possano produrre spermatozoi dalle cellule di femmine o ovuli da cellule di maschi. Questo e’ sorprendente considerando la pletora di ricerche disponibili da decenni sullo sviluppo dei gameti e sulla determinazione del sesso. Sfortunatamente, la comprensione scientifica di questo ostacolo sin dagli articoli di Hayashi del 2011-2012, e’ ben lontana dall’attenzione che i media hanno invece dato al tema della possibilità di riproduzione da cellule dello stesso sesso.

Che prove abbiamo a favore o contro questa possibilità?

Prove a favore della produzione di ovuli da cellule XY (di maschi) o spermatozoi da cellule XX (di femmine): ci sono un paio di studi che suggeriscono che la maturazione di Cellule Germinali Primordiali in un contesto misto XX/XY potrebbe permettere la produzione di ovuli da cellule XY (di maschi) (Ford 1975, Evans 1977). Tuttavia e’ stato difficile interpretare bene questi studi e infatti non sono andati avanti negli ultimi 40 anni, suggerendo che una parte di essi non abbia funzionato come sperato. Più recentemente ci sono state un paio di pubblicazioni che hanno mostrato la produzione di cellule simili agli ovuli a partire da cellule pluripotenti di topi maschi (Hubner 2003, Qing 2007), ma nell’ultimo decennio non hanno dimostrato la nascita di cuccioli da questi metodi - questo suggerisce forse che questa tecnologia non funzioni. Quindi in questa fase, vi sono prove deboli per la produzione di ovuli da cellule XY (di maschi) e non vi sono prove per la produzione di spermatozoi da cellule XX (di femmine).

Prove contro la produzione di ovuli da cellule XY (di maschi) o di spermatozoi da cellule XX (di femmine):

Decenni di ricerca sulla formazione dei gameti dei mammiferi e sulla determinazione del sesso mostrano che non è possibile produrre ovuli da cellule con i geni del cromosoma Y, né spermatozoi da cellule che non li hanno (trattato in Taketo 2015). Questi studi sostengono che la produzione di spermatozoi da cellule XX (di femmine) o di ovuli da cellule XY (di maschi) non sia possibile.

Inoltre, l’ostacolo per lo sviluppo di individui sani si manifesta nei disordini umani del cromosoma sessuale associati alla sterilità, che includono:

• Femmine XY - sindrome di Swyer
• Maschi XX - sindrome di De la Chapelle
• Maschi XXY - sindrome di Klinefelter
• Femmine XO  - sindrome di Turner

Tenete a mente che la maggior parte di questi studi considera i casi in cui entrambi gli ovuli/spermatozoi e le ovaie/i testicoli hanno una genetica anormale. Cosa succederebbe se trasferissimo CGP sane XY in un ovaio sano XX o CGP sane XX in un testicolo sano? Questo esperimento deve essere ancora fatto, ma potrebbe esser effettuato usando i metodi di Hayashi discussi precedentemente.

COME SI POTREBBERO EVITARE LE MALATTIE GENETICHE USANDO OVULI E SPERMATOZOI DERIVATI DALLE CELLULE STAMINALI PLURIPOTENTI ?

Per le coppie che sono portatrici di malattie genetiche o per un bambino con una malattia genetica, al momento vi e’ solo un modo per evitare attivamente l’impianto di un embrione che ha la malattia genetica; la Diagnosi Genetica Pre-impianto (DGP). Questa procedura prevede la FIV e poi la rimozione di 4-5 cellule dal trofoectoderma (vedi Figura 1), le cellule che formeranno, durante la gravidanza, la placenta, le membrane amiotiche etc. Queste cellule sono sequenziate geneticamente per rilevare la mutazione della malattia e quindi un embrione negativo per la malattia può essere impiantato nella madre. In base al tipo di malattia, spesso è necessario eseguire diversi cicli di FIV prima di generare un embrione sano che darà origine a un neonato. Non e’ possibile esaminare geneticamente gli ovuli e gli spermatozoi prima della fecondazione, in quanto per analizzare il DNA di una cellula con le tecniche attuali la cellula stessa verrebbe distrutta. Sviluppi recenti hanno tentato di usare la tecnologia per modificare il DNA detta “taglia e cuci”, nota come CRISPR/Cas9, che modifica direttamente l’assetto genetico di un embrione fecondato (Liang 2015, Ma 2017, Fogarty 2017). Al momento questa tecnologia colpisce anche porzioni di DNA indesiderate, richiede molti embrioni e solleva molti problemi etici. Per queste ragioni e’ improbabile che la modificazione genetica degli embrioni sarà mai sostituita alla regolare pratica clinica di Diagnosi Genetica Pre-impianto (DGP). La produzione di ovuli e di spermatozoi da cellule pluripotenti staminali (CPS) fornirà un’ importante fonte di cellule per la correzione genetica. La loro capacità di esser cresciute in laboratorio significa che moltissime cellule possono essere usate per verificare che la malattia sia stata corretta e molte altre possono esser convertite in ovuli e spermatozoi. Ci sono alcuni modi in cui le malattie genetiche potrebbero essere corrette nelle cellule staminali pluripotenti e questi includono:

• CRISPR/Cas9: porzioni precise di DNA verrebbero aggiunte o rimosse per correggere la mutazione della malattia. Le cellule corrette sarebbero quindi selezionate e fatte crescere - ciò significa che tutti i risultanti ovuli e spermatozoi, generati da queste CSP corrette, non trasmettebbero la malattia. Si potrebbe controllare anche la presenza di eventuali mutazioni non intenzionali (effetto collaterale della tecnica), prima di procedere con la produzione di ovuli e spermatozoi.
• Per le malattie legate al mosaicismo (malattie che non interessano tutte le cellule, “a mosaico” appunto) si potrebbero identificare singole cellule staminali pluripotenti che non contengono la mutazione della malattia e farle crescere per la produzione di ovuli e spermatozoi.
• Rimozione di cromosomi extra: in un recente articolo di Saitou si sono rimossi con successo i cromosomi extra in cellule pluripotenti, poi usate per generare topi sani. Gli autori hanno anche corretto il numero di cromosomi per la Sindrome di Down e Klinefelter (XXY) in CSPi umane. Questo potrebbe esser applicato ai disordini umani con cromosomi extra (Sindrome di Klinefelter, Sindrome di Down, Sindrome di Patau, Sindrome di Edward) o alle persone “sane” che però producono molti ovuli/spermatozoi con dei cromosomi in più o in meno, cosa che accade più comunemente con l’invecchiamento.

Sarebbe improbabile che queste tecnologie di correzione venissero usate per evitare le malattie genetiche in quanto la Diagnosi Genetica Pre-impianto, attualmente regolare pratica clinica, e’ ancora la tecnica più economica e semplice da eseguire.