Malattia di Huntington: come potrebbero aiutare le cellule staminali?

La malattia di Huntington è una malattia neurodegenerativa ereditaria devastante che colpisce circa 5 persone su 100.000 negli Stati Uniti, Europa e Australia. In genere, causa movimenti involontari del viso e del corpo, e demenza. I sintomi peggiorano nel tempo, lasciando alla fine il paziente totalmente dipendente dall'aiuto altrui. Ad oggi non sono disponibili terapie efficaci. Come potrebbe la ricerca sulle cellule staminali portare nuovi trattamenti?

La malattia di Huntington (MH) è una malattia genetica ereditaria che danneggia i neuroni spinosi medi (MSN) del cervello, causando cambiamenti a livello emozionale, declino mentale e difficoltà di movimento.

I sintomi spesso appaiono nei pazienti tra i 35-50 anni ma possono comparire anche più precocemente.

La MH è causata da una sequenza di tre lettere del DNA, ‘CAG’, che è ripetuta per più di 40 volte nel gene dell’Huntingtina; quando le ripetizioni sono più di 35, c’è un elevato rischio di sviluppare la malattia.

Al momento non esistono cure per la malattia di Huntington.

Le cellule staminali rappresentano un importante strumento per studiare diversi aspetti della malattia, da come la MH comporta la morte dei MSN alla sperimentazione di nuovi trattamenti.

Il gene dell’huntingtina produce una proteina importante per i neuroni, ma gli scienziati stanno ancora provando a capire che cosa questa proteina faccia nelle cellule e per quale motivo un eccessivo numero di ripetizioni della sequenza CAG causi la morte dei MSN.

I ricercatori utilizzano MSN generati a partire da cellule staminali pluripotenti indotte (iPS) come modello della malattia di Huntington e per osservare come la malattia proceda. Le cellule iPS sono utilizzate anche per testare nuovi farmaci, terapie geniche e altri trattamenti in maniera molto più rapida di quanto avvenisse prima che le cellule iPS fossero scoperte.

Diversi studi stanno esaminando come le cellule staminali neurali potrebbero essere trapiantate nel cervello e generare nuovi MSN e altre cellule necessarie nel cervello.

Al momento non esistono trattamenti con cellule staminali approvati per la cura della malattia di Huntington. I trapianti di cellule staminali neurali sono stati oggetto di diverse sperimentazioni cliniche per il trattamento dei pazienti affetti da MH, ma questi trattamenti devono ancora superare dei test rigorosi che valutino la loro sicurezza ed efficacia.

Una fonte di cellule affidabile ed eticamente valida deve ancora essere sviluppata. Le cellule iPS e le cellule staminali embrionali potrebbero essere utilizzate per generare grandi quantità di cellule staminali neurali, ma queste cellule devono essere omogenee e sicure. Infatti, se non sono studiate attentamente, le cellule staminali pluripotenti possono causare l’insorgenza di tumori o altre complicazioni che mettono a rischio la vita del paziente.

La malattia di Huntington (MH) colpisce principalmente le cellule nervose nel cervello chiamate neuroni spinosi medi (MSN). 

I MSN ricevono e coordinano le informazioni provenienti da altri neuroni nel cervello per controllare il movimento, i processi intellettuali e le emozioni.

Nonostante le anomalie del movimento più descritte nella malattia di Huntington siano i movimenti a scatti involontari, chiamati  corea, l'Huntington provoca altre alterazioni tra cui rallentamento dei movimenti, distonia (movimenti prolungati e di torsione maggiori di quanto osservato nella corea), difficoltà di coordinamento dei movimenti fini e anomalie di equilibrio. Le anomalie del movimento possono influenzare aree estese del corpo, comprese quelle degli arti, tronco, viso, occhi e i muscoli che controllano il linguaggio e la deglutizione. Le anomalie del movimento sono il segno più evidente della condizione, ma il disturbo dei processi intellettivi ed emotivi spesso causa più disabilità.

Nella MH un gran numero di MSN è danneggiato e distrutto. Anche altri tipi di neuroni nel cervello sembrano essere colpiti, come ad esempio i neuroni corticali. L'età più comune per le persone che sviluppano sintomi nel movimento va dai 35 ai 50 anni circa, anche se i sintomi possono iniziare molto prima o dopo e alcuni dei problemi emotivi e del pensiero possono avvenire in modo sottile molto tempo prima che sorgano problemi di movimento. Le persone possono essere influenzate in modi diversi, soprattutto nei primi anni della malattia, ma in tutti  progredirà per un periodo di due o tre decenni.

La MH è una patologia ereditaria. I bambini con un genitore affetto hanno una probabilità del 50% di ereditare il difetto genetico che causa la malattia. Questo errore si verifica nel gene che contiene il codice per una proteina chiamata Huntingtina. Il gene difettoso induce nell'organismo la produzione di una versione difettosa e tossica della proteina Huntingtina e questo alla fine si traduce nella perdita dei MSN e di altri neuroni.

L'alfabeto del DNA si compone di quattro lettere: C, A, G e T. Queste sono le quattro unità degli acidi nucleici che sono combinati in ordine diverso per formare i filamenti di DNA. Nella sua versione non malata, il gene huntingtina contiene fino a 35 ripetizioni della sequenza CAG. 

Più di 40 ripetizioni risultano in una persona che svilupperà la malattia di Huntington ad un certo punto della propria vita (anche se l'età in cui si svilupperà rimane molto difficile da prevedere). 36-39 ripetizioni rappresentano un'area grigia; individui con questo numero di ripetizioni possono sviluppare la malattia di Huntington (il rischio aumenta col numero di ripetizioni), ma alcuni possono non manifestarla entro la loro vita.

È interessante notare che gli scienziati hanno scoperto che il gene è apparso senza alcuna ripetizione CAG, in un'ameba chiamata Dictyostelium discoideum. 

Con l’evoluzione di nuove specie, i CAG nel gene huntingtina sono apparsi e aumentati di numero nelle specie con sistemi nervosi progressivamente più complessi, il che suggerisce che le ripetizioni CAG più lunghe conferiscono un effetto benefico sui neuroni.

Non vi è attualmente alcun trattamento efficace per fermare o invertire il decorso della MH, ma ci sono alcuni modi per contribuire a rendere i sintomi più gestibili. Ad esempio, sono disponibili alcuni farmaci che possono aiutare a ridurre i movimenti involontari in alcuni individui (anche se tali farmaci possono avere effetti collaterali e quindi non devono essere assunti con leggerezza) e depressione e psicosi possono essere trattati con i farmaci disponibili per tali sintomi nella popolazione in generale. Altri farmaci possono anche essere utilizzati, a seconda delle esigenze individuali e i sintomi della persona. La logopedia è ampiamente utilizzata per migliorare la comunicazione e le difficoltà con il mangiare e la deglutizione, e c'è spazio per input da terapisti occupazionali, psicologi, dentisti, assistenti sociali e fisioterapisti. Infatti, vi è una crescente mole di evidenze che l'esercizio fisico possa essere utile nel migliorare la funzione di un individuo in diverse fasi della malattia.

Tuttavia, a causa della mancanza di trattamenti in grado di cambiare il corso della malattia, gli scienziati stanno facendo enormi sforzi per trovare nuove terapie. Una parte importante consiste nel capire come l'errore genetico porti alla perdita di neuroni spinosi medi, e i conseguenti sintomi della malattia, in modo che i nuovi trattamenti possano essere adeguatamente progettati per essere più efficaci. 

C’è una serie di studi clinici in corso per testare alcuni potenziali nuovi trattamenti. Tuttavia, è importante osservare che perché un trattamento passi da studi clinici sperimentali ad essere disponibile per l'uso nella comunità può richiedere molto tempo. 

Una vasta gamma di strategie di trattamento è allo studio, tra cui vari trattamenti farmacologici, terapie geniche, esercizio fisico, studi di riabilitazione e metodi per sostituire i neuroni spinosi medi persi.

Le cellule staminali offrono l'opportunità di crescere e studiare un gran numero di cellule in laboratorio. Ci sono diversi tipi di cellule staminali e gli scienziati stanno studiando diversi modi che potrebbero essere utilizzati per affrontare le sfide poste dalla MH:

  • Studio e comprensione della malattia: i ricercatori possono utilizzare alcuni tipi di cellule staminali per crescere in gran numero il tipo di cellule colpito nella MH. Queste cellule possono essere modificate in modo da contenere il difetto genetico che provoca la MH. Inoltre, le cellule possono essere usate nella ricerca per scoprire esattamente come funziona la malattia e quale funzione il gene normale ha nel cervello sano.
  • Sviluppo di nuovi farmaci: lo stesso tipo di cellule descritto sopra può essere utilizzato per la ricerca e la sperimentazione di nuovi farmaci.
  • Sostituzione delle cellule perdute: in futuro, gli scienziati sperano di essere in grado di usare le cellule staminali per crescere nuovi MSN sani e che possano essere trapiantati in pazienti per sostituire le cellule danneggiate dalla malattia.

Capire la malattia di  Huntington e scoperta di nuovi farmaci

Come descritto sopra, il gene Huntingtina contiene un frammento di DNA chiamato 'ripetizione CAG' – una sequenza di DNA costituita da tre unità (C, A e G)  che appaiono più volte nello stesso ordine. Il gene sano contiene meno di 35 CAG, ma i pazienti MH hanno una versione mutata che contiene troppe ripetizioni CAG. Queste copie extra della sequenza CAG generano una versione difettosa, tossica della proteina huntingtina. Più alto è il numero di ripetizioni CAG, più l'huntingtina è tossica e più precocemente i sintomi della malattia tendono a comparire.

Malattia di Huntington
MH e geni: I pazienti con malattia di Huntington hanno un gene huntingtina contenente troppe copie di una sequenza di DNA nota come 'ripetizioni CAG'.

Gli scienziati che lavorano sulla proteina huntingtina mutata si pongono la domanda  "come fa il cambiamento in questa proteina a causare danni ai MSN?".  Purtroppo, la proteina huntingtina interagisce con molte altre proteine e colpisce più processi nelle nostre cellule, e così  come essa contribuisca esattamente alla progressione della malattia rimane sconosciuto. Per rispondere a questa domanda, gli scienziati utilizzano modelli di malattia: sistemi progettati per rappresentare la MH in laboratorio in modo che possa essere studiata al di fuori del corpo del paziente. Le cellule staminali vengono utilizzate per sviluppare questi modelli per studiare la malattia e come essa progredisce.

Ad esempio, le cellule pluripotenti indotte (iPS) possono essere derivate dal muscolo o dalla pelle dei pazienti MH. Esse possono quindi essere amplificate di numero molte volte in laboratorio prima di essere trattate per indirizzarle a trasformarsi in neuroni. Un consorzio di ricercatori MH di sei laboratori americani e due europei ha raggiunto questo scopo e il lavoro è stato verificato in modo indipendente da un laboratorio in California. Le cellule iPS ottenute in questo modo hanno la stessa sequenza genetica delle persone affette da MH, e sono state derivate da persone con un diverso numero di ripetizioni CAG. Quando queste diverse cellule iPS sono usate per generare MSN, i neuroni con più ripetizioni CAG  sono più vulnerabili ai diversi stimoli e mostrano molte delle caratteristiche della malattia come avviene nei pazienti. I ricercatori sperano che questi sistemi di cellule iPS possano ora aiutarli a scoprire esattamente come funziona la MH. Questo approccio può, in teoria, fornire una fonte quasi illimitata di MSN con la malattia di Huntington, e molto lavoro è ancora in corso per lo sviluppo di sistemi affidabili per generare cellule iPS con la malattia di Huntington per tali applicazioni.

È anche possibile utilizzare questi modelli cellulari per lo screening di farmaci che possono avere applicazioni terapeutiche. Oggi la tecnologia offre sistemi meccanici che permettono ai ricercatori di testare velocemente milioni di composti chimici  per vedere se possano avere un effetto positivo sulle cellule. Questi sistemi sono strumenti preziosi per la scoperta di farmaci, ma richiedono un gran numero di cellule (ad esempio neuroni) che deve essere affetto dalla malattia in fase di studio. Modelli di cellule iPS con MH possono essere utilizzati per lo screening di farmaci in grado di modificare la malattia.

Sostituire le cellule perdute

La maggior parte (sebbene non tutti) dei sintomi della MH sono dovuti alla perdita dei neuroni spinosi medi nel cervello. Di conseguenza, gli sforzi degli scienziati si sono concentrati su come ottenere nuovi MSN per sostituire quelli danneggiati. Nel 2000 e nel 2006 i medici hanno descritto il trapianto di neuroni fetali nel cervello di un piccolo numero di pazienti con MH. I pazienti nei quali il trapianto è sopravvissuto hanno avuto un miglioramento nel movimento e nei sintomi psicologici per sei anni. Questo fornisce una "prova di principio", nel senso che dimostra che il trapianto di nuove cellule può migliorare i sintomi nella MH, ma non ci dice quanto è affidabile la procedura. Dopo il periodo di sei anni i sintomi MH sono peggiorati di nuovo, il che suggerisce che il processo non è ancora ottimale e ci dice che lavoro ulteriore è necessario quando si utilizzano cellule fetali per capire come applicare questa procedura al meglio. È possibile che procedure migliori per l'utilizzo di questi MSN fetali aiuteranno a curare la MH e trial clinici in corso stanno investigando questa possibilità, ma ci sono alcuni problemi scientifici e tecnici significativi. Ad esempio, l'uso di tessuto prelevato da feti abortiti fornisce solo una fonte molto limitata di cellule che non possono essere purificate né migliorate. Le cellule staminali potrebbero fornire una valida alternativa.

I ricercatori sperano di usare le cellule staminali embrionali o le cellule iPS come fonte illimitata di neuroni spinosi medi per il trattamento della MH. Le cellule iPS potrebbero essere generate da persone che non hanno il difetto genetico dell’ Huntington. Potrebbero anche teoricamente essere generate dalla pelle di pazienti affetti dalla malattia di Huntington e in queste cellule i ricercatori potrebbero correggere il problema genetico utilizzando tecniche di modificazione genetica in modo che le cellule producano la proteina Huntingtina completamente funzionale. I MSN vengono attualmente cresciuti da cellule iPS geneticamente corrette e sembrano essere in buona salute, per esempio in laboratorio sono resistenti alla morte cellulare come i MSN derivate da persone senza MH. Molta ricerca è ancora necessaria, ma questo approccio potrebbe voler dire che un giorno una persona con la Corea di Huntington potrà ricevere un trapianto di cellule del cervello utilizzando cellule "corrette" dalla propria pelle.

Entrambi questi tipi di cellule staminali (cellule staminali embrionali e cellule iPS) hanno la capacità di generare tutte le diverse cellule del corpo, quindi la sfida è quella di trovare un modo per indirizzarle a fare solo MSN. Diversi laboratori hanno sviluppato protocolli per differenziare i neuroni che hanno caratteristiche di MSN da cellule staminali embrionali umane. Si sta lavorando per verificare quanto strettamente questi neuroni somiglino ai MSN originali e se possono migliorare i sintomi della malattia di Huntington, una volta trapiantati in modelli animali di questa malattia. Si spera che queste cellule possano un giorno essere adatte per il trapianto in persone con la malattia di Huntington.

L'uso di cellule staminali per la ricerca MH è uno sviluppo relativamente recente. Anche se le cellule staminali stanno cominciando a fornire strumenti preziosi per studiare la progressione della MH e per la ricerca di nuovi farmaci, c'è ancora lavoro da fare prima che i trattamenti di trapianto di cellule staminali nei pazienti possano essere presi in considerazione. Le domande principali che devono prima essere risolte sono:

• Quanto simili sono i MSN cresciuti in laboratorio a quelli trovati nel nostro cervello? Anche se è stato dimostrato che condividono alcune caratteristiche, essi potrebbero non essere identici e ciò deve essere meglio compreso in modo che i metodi di produzione di tali cellule possano essere migliorati.
• Per quanto tempo i MSN prodotti  in laboratorio sopravvivono una volta trapiantati nel cervello e sono in grado di svolgere la loro funzione?
• Questi MSN prodotti in laboratorio sono in grado di integrarsi nel sistema nervoso adulto danneggiato, ricollegare i circuiti perduti e fornire un beneficio per i pazienti?
• Sarebbe sicuro il trapianto di MSN per i pazienti, soprattutto a lungo termine?

Quindi, le cellule staminali non possono essere utilizzate per il trattamento della MH oggi, ma la ricerca sulle cellule staminali sta fornendo strumenti utili per gli scienziati che mirano a sviluppare nuovi approcci per il futuro. Questo lavoro è in corso in una serie di laboratori a livello internazionale e molti di loro sono coinvolti in due Consorzi di ricerca finanziati dalla Commissione Europea: Repair-HD e NeurostemcellRepair.

La presente scheda è stata creata da Serafi Cambray e recensita da Elena Cattaneo. Questa scheda è stata successivamente revisionata da Anne Rosser.

Tradotta in Italiano da Marco Onorati.

Immagine dei neuroni cresciuti da cellule staminali embrionali fornita da Serafi Cambray. Neuroni spinosi medi marcati con proteine fluorescenti verdi di Valentina Castiglioni. Neuroni spinosi medi umani coltivati da cellule staminali embrionali di Charles Arber. Tutte le altre immagini e figure di Serafi Cambray. Figura creata usando Servier Medical Art.

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