Le cellule staminali del cervello di individui adulti dimostrano insospettate doti di plasticità. Oltre a produrre cellule del tessuto neurale, in determinate circostanze possono produrre tessuti muscoloscheletrici I risultati pubblicati nella rivista Nature Neuroscience che dedica allo studio la copertina e l'editoriale.

Milano, 19 settembre 2000 - Informazioni di back ground
Differenti tipi di cellule staminali
Esistono almeno tre tipi diversi di cellule staminali:
1) embrionali staminali (le cosiddette cellule ES) presenti solo nell'embrione,
2)  staminali somatiche presenti anch'esse nell'embrione ma diverse dalle ES,
3)  staminali somatiche adulte presenti nell'adulto.
* Le cellule staminali embrionali (ES) sono totipotenti, sono cioè in grado di proliferare molto rapidamente, dare origine ad una progenie molto numerosa e assumere l'identità di tutte le cellule dell'organismo, nessuna esclusa. Da quelle delle unghie, a quelle dell'occhio o del sangue.
*Le cellule staminali "somatiche", sono cellule che si trovano in organismi adulti completamente differenziati, conservano una certa capacità proliferativa, hanno anch'esse caratteristiche che le rendono capaci di differenziarsi in tessuti ed organi diversi, ma non sappiamo se anch'esse siano capaci di generare "tutti" i tessuti.
* Anche nell'embrione esistono cellule staminali somatiche, che sono diverse dalle cellule staminali embrionali (ES). Anche queste cellule staminali somatiche possono dividersi, ma si trovano in uno stadio più "maturo", più "indirizzato", rispetto alle staminali embrionali (ES) e non sono totipotenti.

Sia le somatiche embrionali sia le somatiche adulte, quindi, sono cellule ancora in grado di proliferare, ma con minori potenzialità di sviluppo e con caratteristiche ancora in gran parte da chiarire.

Cellule staminali e cervello
Come detto, tutti i tessuti dell'organismo sono costituiti da cellule specializzate per svolgere determinate funzioni. Le cellule, con l'andare del tempo, si usurano e -come i pezzi di un'automobile- devono essere periodicamente sostituite per garantire l'integrità ed il corretto funzionamento della struttura complessiva. I "pezzi di ricambio" vengono forniti da particolari serbatoi di cellule "fresche" presenti all'interno di ogni tessuto: le cellule staminali tessuto-specifiche, dette anche staminali somatiche o adulte.
Queste cellule "di riserva" non sono uguali alle cellule dei tessuti nei quali risiedono, si trovano in uno stato immaturo e conservano la capacità di moltiplicarsi. Le cellule che derivano dalla divisione delle cellule staminali vanno incontro ad un processo di differenziamento che le porta ad assumere tutte le caratteristiche richieste dal tessuto in cui risiedono. Le cellule passano, così, da uno stato "immaturo", tipico della cellula staminale, ad uno specializzato e perdono la capacità di dividersi.
Questo fenomeno avviene in modo analogo, ma con velocità diversa, nel sangue, nella cute, nell'intestino, nel fegato, e in tutti gli organi a ricambio continuo. Nel cervello questo processo si verifica in modo estremamente lento e sporadico. Proprio a causa di questa lentezza, fino ad una decina d'anni fa, si pensava che le cellule cerebrali presenti al momento della nascita non potessero far altro che maturare, invecchiare con gli anni e morire, ma che non potessero essere rimpiazzate da nuove cellule nervose e che le eventuali perdite dovute a malattie o traumi fossero irreversibili.
Dal 1992 si sa, invece, che in alcune particolari zone del cervello molto profonde e ben delimitate (le pareti dei ventricoli cerebrali) il fenomeno di sostituzione avviene ad opera delle cellule staminali neurali. Queste cellule non sono distribuite in modo uniforme nel tessuto nervoso, ed è per questo motivo che non in tutte le regioni del cervello in cui si verifica un continuo consumo di cellule il ricambio avviene in maniera efficiente.

Ciò che è emerso negli ultimi anni, e la prima evidenza sperimentale è stata fornita da Angelo Vescovi e dai suoi collaboratori all'inizio del 1999 (Science n. 283/5401, pag 534-537), è che queste cellule staminali somatiche adulte in realtà sembrerebbero avere un potenziale di sviluppo più ampio del previsto. Queste cellule sarebbero "committed but not restricted", cioè parzialmente determinate, ma non strettamente vincolate verso un unico destino.

In altre parole, la cellula embrionale staminale (ES), durante lo sviluppo, viene programmata per produrre cellule specifiche che acquisiscono la caratteristica di generare esclusivamente (o così si pensava) cellule del tessuto in cui vengono a risiedere, diventando così cellele staminali somatiche. La programmazione è intrinseca alla cellula stessa,  non dipende dal fatto che la cellula si trovi in un certo tessuto. Infatti, anche isolando la cellula dal suo contesto fisiologico, questa, dividendosi in coltura da comunque origine a cellule del tessuto di provenienza. In questo senso è determinata. Se, però, la stessa cellula somatica viene posta in condizioni particolari il suo potenziale di differenziarsi in cellule diverse da quelle del tessuto d'appartenenza si "risveglia". In questo senso, la cellula non è vincolata in modo assoluto e si dice che è pluripotente.
Il lavoro di Vescovi del 1999 dimostrava questo concetto su cellule staminali neurali adulte. Infatti, i ricercatori isolavano dal cervello di un topo una cellula neurale staminale e la mantenevano in coltura anche per diversi anni, la cellula continuava a produrre solo cellule del cervello. Ma quando la stessa cellula cerebrale staminale veniva iniettata nel sangue di animali colpiti da radiazioni, che avevano distrutto le loro cellule staminali del sangue, la cellula staminale del cervello andava a localizzarsi nel midollo osseo e iniziava a produrre cellule del sangue.
Questo risultato indicava che, le cellule staminali neurali adulte, pur essendo specializzate per generare cellule nervose, mantengono una certa "plasticità", che consente loro di diventare anche qualcosa di diverso. Semplicemente, questa potenzialità di norma non viene espressa. Ma ciò non significa che non ne abbiano la capacità. Il potenziale delle cellule staminali neurali somatiche prelevate da organismo adulto o da embrione, però, non è assoluto come quello delle cellule staminali embrionali (ES). Le cellule neurali staminali somatiche possono svilupparsi in vari tipi cellulari, ma non è chiaro ancora se questo valga per tutti i tipi cellulari esistenti in un organismo adulto.
L'aspetto più interessante del lavoro di Vescovi del 1999, però, riguardava la cosiddetta "transdeterminazione". Infatti, è noto da tempo che nell'organismo esistono cellule staminali che pur risiedendo in un organo, sono in grado di produrre anche cellule di altri organi. Ma si è sempre ritenuto che esistesse una chiara limitazione legata alla derivazione embrionale delle cellule staminali adulte. Durante le prime settimane dello sviluppo embrionale, le cellule staminali embrionali si suddividono in tre gruppi che si dispongono in quelli che vengono definiti i tre "foglietti embrionali": endoderma, mesoderma e ectoderma. Ogni foglietto si differenzia ulteriormente e le cellule staminali che lo costituiscono e che, a questo stadio dello sviluppo, non sono più cellule embrionali staminali (ES), ma sono già cellule somatiche, vengono programmate per dare origine solo ad alcuni stipiti cellulari e non ad altri.

Si pensava che questo vincolo fosse molto stretto e che, per esempio, le cellule staminali ematopoietiche o del mesenchima del midollo osseo potessero produrre cellule del sangue, cellule dell'osso o del tessuto adiposo perché questi tessuti derivano tutti dal mesoderma, ma non cellule nervose che derivano dall'ectoderma o cellule del fegato che derivano dall'endoderma.
Ci si è quindi stupiti, quando si è visto che una cellula staminale neurale poteva dare origine ad una cellula del sangue, perché questi due tipi di cellule derivano da foglietti embrionali diversi. Dall'ectoderma le cellule neurali, dal mesoderma le cellule del sangue.
In seguito altri studi, condotti da gruppi diversi in varie parti del mondo, hanno dimostrato che cellule staminali somatiche del sangue e, quindi, di origine mesodermica potevano transdifferenziarsi e produrre anche cellule del fegato che, normalmente, derivano dall'endoderma. Nonostante questi risultati fossero stati ottenuti addirittura su cellule umane e confermassero la pluripotenza delle cellule staminali adulte già verificata dallo studio italiano, una parte del mondo scientifico ha mantenuto, fino ad oggi, un atteggiamento piuttosto scettico a riguardo. Scetticismo in parte giustificato dal fatto che queste nuove acquisizioni vanno ad intaccare uno dei dogmi fondamentali della biologia.

Il lavoro pubblicato oggi: un passo avanti importante.
Ora, però, il lavoro del gruppo dei ricercatori del San Raffaele guidati da Angelo Vescovi e Giulio Cossu, pubblicato il 19 settembre su Nature Neuroscience dovrebbe sciogliere anche i dubbi dei più pignoli.
I nuovi esperimenti, infatti, confermano la capacità delle cellule staminali neurali adulte di formare cellule di un altro tessuto e, soprattutto, di formare cellule con un'origine embrionale diversa. In particolare, i ricercatori hanno dimostrato che è possibile indurre le cellule staminali adulte provenienti dal cervello di topo a produrre cellule muscolari striate, del tutto simili a quelle normalmente presenti nell'apparato muscoloscheletrico del topo.
Lo studio è stato condotto sia su cellule isolate e mantenute in coltura, sia in vivo, su cellule "fresche" appena prelevate dal cervello di topo. Questo ha consentito di verificare che il transdifferenziamento osservato non è un artefatto indotto dall'aver allontanato le cellule dal loro contesto fisiologico e dall'averle mantenute in coltura per un certo tempo.
Quindi, gli esperimenti in vivo sono stati essenziali anche per eliminare il dubbio che la pluripotenza e la capacità di transdifferenziamento fossero proprietà acquisite in seguito al trattamento delle cellule in coltura con mitogeni (le sostanze utilizzate per promuovere la divisione cellulare) e non caratteristiche intrinseche delle cellule staminali adulte.

Si è visto, infatti, che anche cellule mai esposte a mitogeni sono pluripotenti in modo del tutto paragonabile a quelle mantenute in coltura. Inoltre, solo le cellule derivanti dalle aree periventricolari, sede caratteristica delle staminali neurali adulte, manifestano la pluripotenza e generano cellule muscolari, mentre quelle provenienti da altre zone del cervello non hanno questa capacità.
Il fatto poi che, in questo lavoro, i ricercatori del San Raffaele siano stati in grado di affiancare esperimenti in vivo ed in vitro è piuttosto rilevante. Tutti gli esperimenti di "salto del foglietto embrionale" condotti in precedenza sulle cellule staminali neurali erano stati fatti solo in vivo, nell'embrione o nell'animale adulto. Ma per poter capire i dettagli molecolari del programma di trasdeterminazione sono indispensabili anche studi in vitro che consentono di ridurre il numero delle variabili che possono influire sul processo di attivazione del differenziamento e di concentrare l'attenzione sugli aspetti chiave del fenomeno. Questi studi inoltre permettono di lavorare su sistemi più "controllati", di scomporre un problema complesso in tanti sottoquesiti più semplici e, in definitiva, di ottenere risultati più facilmente applicabili.
Negli esperimenti, inoltre, sono state utilizzate solo cellule di animali adulti: (tratte dal cervello di topi adulti), trasferite nel corpo di altri topi adulti. In nessuna fase del lavoro è, quindi, ipotizzabile una contaminazione con cellule staminali embrionali. I risultati ottenuti, di conseguenza, sono riferiti in maniera inequivocabile al processo di "transdifferenziamento" di cellule staminali neurali adulte. Infine i ricercatori hanno provato a replicare i risultati ottenuti utilizzando cellule staminali tratte da tessuto cerebrale umano. I risultati sono esattamente sovrapponibili: cellule staminali umane, indotte a transdifferenziarsi, sono in grado di produrre cellule  muscoloscheletriche.
Il lavoro dimostra dunque che il fenomeno si verifica anche nelle cellule staminali neurali umane.

Il futuro della ricerca
E' bene essere chiari sugli sviluppi di questo filone di ricerche. Queste nuove acquisizioni lasciano ipotizzare applicazioni terapeutiche fino ad ora impensabili, ma ancora piuttosto remote. Infatti, per arrivare a qualche concreta innovazione in ambito biomedico basata sullo sfruttamento delle cellule neurali staminali adulte dovranno passare ancora diversi anni.
Il principale potenziale terapeutico delle cellule neurali staminali adulte sta nel poter utilizzare cellule sane, provenienti da una parte del corpo sana, per rimpiazzare cellule danneggiate o distrutte da una malattia in un'altra parte del corpo. Si potrebbe pensare, per esempio, di utilizzare cellule staminali della cute o del cervello per produrre cellule del sangue o cellule staminali del sangue per produrre cellule del fegato e così via.

Con le cellule staminali adulte si aprirebbe anche la possibilità del trapianto autologo, o autotrapianto, eliminando tutti i problemi di compatibilità immunologica e rigetto. Di conseguenza, non sarebbe più necessaria la terapia immunosopressiva che rimane invece necessaria nel caso del trapianto di cellule da donatore estraneo.
Ma l'aspetto ancora più interessante riguarda una potenziale  cura delle malattie degenerative del cervello. La conoscenza dei meccanismi di differenziamento apre la strada a strategie terapeutiche di "riparazione minimamente invasiva". Le cellule staminali adulte potrebbero, infatti, essere indotte a differenziarsi somministrando in situ i fattori che inducono proliferazione e differenziamento. Questo approccio potrebbe essere utile per curare malattie come il morbo di Parkinson, la sclerosi multipla o la corea di Huntington. Nel caso del Parkinson, per esempio, le cellule staminali già presenti nel cervello della persona malata potrebbero essere indotte a differenziarsi e a rimpiazzare le cellule della substantia nigra degenerate, con una semplice iniezione di opportuni fattori induttivi. E' bene ribadire però che oggi queste sono solo affascinanti ipotesi. Per poterle concretizzare è necessario capire tutti i passaggi del meccanismo di transdifferenziamento e conoscere tutti i fattori in grado di influenzarlo.
Per ora le informazioni sono molto limitate. La via terapeutica all'utilizzo delle cellule staminali adulte pluripotenti risulta ancora lontana nel tempo.  Certamente l'utilizzo delle staminali adulte avrebbe il grosso vantaggio di non sollevare problemi etici, ma ha anche il "difetto" di essere più lenta: le cellule staminali neurali adulte, infatti, crescono con una velocità molto inferiore rispetto alle embrionali staminali ES. Ciò significa più tempo e più fatica per ottenere risultati. Per ottenere risultati soddisfacenti, questa linea di ricerca dunque richiede risorse notevoli sia sul piano economico sia su quello umano/professionale.

Gli studi necessari alla pubblicazione di questo articolo , sono iniziati all'Istituto Neurologico "Carlo Besta" e completati nei laboratori del DIBIT dell'Istituto Scientifico San Raffaele, grazie ai finanziamenti della Comunità Europea, di Telethon e del Ministero della Sanità.

L'articolo pubblicato nel volume 3, numero 10, ottobre 2000 di nature neuroscience porta come prima firma Rossella Galli (Istituto Cellule Staminali S. Raffaele) e come ultimi firmatari Giulio Cossu, da settembre condirettore dell'Istituto Cellule Staminali S. Raffaele e Angelo Vescovi anch'egli condirettore.