Cellule staminali embrionali: da dove vengono e di cosa sono capaci?

Le cellule staminali embrionali hanno catturato l'attenzione di scienziati e non. Ma che cosa sono? Da dove vengono e perché ricercatori in tutto il mondo stanno cercando di capire sempre di più su di esse?

Le cellule staminali embrionali umane (SE) sono cellule pluripotenti, possono cioè generare ogni altro tipo di cellula del corpo. Sono ottenute da cellule degli embrioni umani ai primissimi stadi dello sviluppo, detti blastocisti.

Molte aree scientifiche usano cellule SE di topo per studiare come le blastocisti diano origine a individui adulti, e per studiare quali segnali inducano le cellule staminali a differenziarsi in cellule specializzate.

Una quantità immensa di informazioni riguardo allo sviluppo e alle malattie embrionali è stata ottenuta generando topi “chimera” con cellule SE geneticamente modificate. Questi topi permettono ai ricercatori di studiare come dei geni specifici contribuiscano a funzioni cellulari e malattie.

Esponendo cellule SE a diverse molecole segnale e condizioni di cresciuta, i ricercatori stanno studiando come generare molti diversi tipi di cellule specializzate.

Gli scienziati stanno usando cellule SE di topo per capire come si sviluppa il corpo, dai primissimi stadi embrionali alla formazione di organi complessi.

Cercando di crescere dei “primitivi” organi in laboratorio, si sta inoltre imparando come le cellule si organizzino in tessuti complessi, come ad esempio gli strati del cervello.

Molti studi stanno inoltre cercando di capire come poter usare le cellule SE per trattare diverse malattie, dalla sclerosi multipla alla cecità o il diabete.

Esistono delle differenze tra come funzionano le cellule SE umane rispetto a quelle di topo. Per ragioni morali e etiche, i ricercatori non possono fare con le cellule SE umane gli stessi esperimenti che fanno con le cellule SE di topo. Per questo motivo, i ricercatori devono adoperare metodi più complessi e indiretti per capire come funzionino le cellule SE umane.

Un’altra sfida è controllare esattamente come le cellule SE si differenzino in numerosi tipi di cellule specializzate.

Uno dei principali obiettivi - per niente facile da raggiungere - è trovare il modo di produrre, a partire da cellule staminali, grandi quantità di cellule specializzate che siano uniformi e diano risultati affidabili.

 

Le cellule staminali embrionali nascono da cellule che si trovano nell'embrione dopo appena pochi giorni. Negli umani, nei topi e in altri mammiferi l'embrione in questo stato è una specie di pallina composta da circa 100 cellule. È conosciuto come blastocisti e si compone di due parti:

  1. Blastocyst diagram
  2. Uno strato esterno di cellule, o trofoectoderma, andrà a formare la placenta che supporta l'embrione nella sua crescita all'interno dell'utero.
  3. Una massa interna di cellule, chiamata massa cellulare interna, composta da 10–20 cellule. Queste cellule sono indifferenziate o non specializzate. Si moltiplicheranno e si differenzieranno ampiamente per creare i diversi tipi di cellule necessari all'intero essere vivente.

Le cellule della massa cellulare interna sono pluripotenti: possono diventare qualsiasi tipo di cellula del corpo.

Mouse blastocyst
Una blastocisti di topo di 3.5 giorni: la massa cellular interna è colorata in verde e il trofectoderma è colorato in rosso.

Se una massa cellulare interna viene prelevata da una blastocisti di un topo e nutrita in modo adeguato, può essere coltivata in laboratorio. Il processo di maturazione cellulare e di specializzazione che avrebbe luogo nell'embrione si ferma. Le cellule invece si moltiplicano e creano altre cellule indifferenziate che assomigliano a quelle della massa cellulare interna. Queste cellule coltivate in laboratorio sono dette cellule staminali embrionali (SE).

Embryonic stem cell diagram
Cellule staminali embrionali modificate geneticamente per emettere una luce verde sotto una lampada a fluorescenza.

 

Le cellule SE del topo possono essere poste nuovamente nella blastocisti e questa blastocisti può essere impiantata nell'utero di un topo. Le cellule SE iniettate prendono parte allo sviluppo dell'embrione e il cucciolo nasce con un miscuglio di cellule (a) dalla blastocisti ospite e (b) cellule proveniente dalle SE iniettate. Questo nuovo topo con cellule di diversa provenienza è chiamato "chimera".

Le chimere possono passare i propri geni alla prole tramite queste cellule staminali embrionali. I ricercatori possono dunque alterare i geni delle cellule SE in laboratorio, porle nuovamente nella blastocisti e creare nuovi topi che possiedono geni alterati, vere e proprie o "mutazioni". Gli scienziati usano topi geneticamente modificati con le cellule SE per studiare geni coinvolti in molte malattie umane. Per esempio hanno creato dei topi con mutazioni riscontrate nei tumori umani. Questi topi possono essere studiati per capire come si evolvono i tumori e per testare potenziali medicine. L'immenso valore di questa tecnica per la scienza e la medicina è stato riconosciuto nel 2007 quando il premio Nobel per la medicina fu conferito a tre scienziati che hanno sperimentato l'uso di cellule SE per creare topi geneticamente modificati.

Gli scienziati hanno anche creato cellule SE dalle masse cellulari interne di embrioni umani con la stessa tecnica adottata per i topi. È possibile ottenere maggiori informazioni sugli embrioni umani usati nella ricerca e da dove essi vengono nella scheda Ricerca sulle cellule staminali embrionali: un dilemma etico. Anche se non è permesso iniettare cellule SE umane nella blastocisti, queste cellule possono essere differenziate per creare cellule specializzate in laboratorio. Usando le cellule SE umane per produrre cellule specializzate come neuroni (cellule nervose) o cellule del cuore in laboratorio, gli scienziati possono accedere a cellule adulte di esseri umani senza dover prelevare tessuti dai pazienti. Possono così studiare nel dettaglio queste cellule specializzate per vedere cosa succede in certe malattie o per vedere come le cellule reagiscano a potenziali nuove medicine.

Per ora gli scienziati hanno creato cellule SE da topi e ratti, umani e altri primati. Nel futuro, sperano di poter creare cellule SE anche da altre specie. I ricercatori stanno anche studiando come perfezionare i metodi per creare determinati tipi di cellule dalle cellule SE in laboratorio. Capire esattamente come si differenzino le cellule SE è ancora una sfida complessa. Ciononostante, gli scienziati stanno cominciando a studiare le possibilità di usare un giorno le cellule SE per creare cellule adulte che possano essere trapiantate nei pazienti per curare tessuti feriti o malati.

Questa scheda è stata scritta da Kate Blair e riveduta da Jenny Nichols e Austin Smith.

Immagine di blastocisti umana (immagine principale) di Mila Roode. Fotografia di blastocistidi topo di Maria Elena Torres Padilla. Fotografia di topo chimera di Jenny Nichols. Fotografia di neurone di Oliver Bruestle. Tutte le altre immagini e i diagrammi di Kate Blair.