Originariamente pubblicato su The Siegel Rare Neuroimmune Association Journal
Volume VI
Marzo 2012

Il dottor Michael Levy
Professore assistente di Neurologia
Centro per la mielite trasversa
Centro medico Johns Hopkins

Le cellule staminali offrono la migliore speranza di guarigione neurologica nella mielite trasversa, nell'encefalomielite disseminata acuta, nella neuromielite ottica e nella neurite ottica.

Le cellule staminali sono definite come una cellula immatura che ha il potenziale per svilupparsi in una cellula matura e funzionante. Nell'embrione in via di sviluppo, ad esempio, tutte le cellule sono inizialmente cellule staminali. Quando l'embrione inizia a far crescere i tessuti, quelle cellule staminali maturano in cellule funzionali che formano organi come il fegato, i reni e il cervello (Figura 1 – Mike Jones [CC-BY-SA-2.5], tramite Wikimedia Commons). Ci sono molti passaggi che le cellule compiono nel loro sviluppo tra lo stadio iniziale di cellule staminali embrionali e lo stadio finale di cellule mature. Ad ogni punto del loro sviluppo, diventano sempre più specializzati verso il loro destino. L'obiettivo dell'utilizzo delle cellule staminali per il beneficio clinico è sfruttare il loro potenziale per crescere in cellule che mancano al paziente o che devono essere sostituite. Nel caso della mielite trasversa, l'obiettivo è rigenerare le cellule del midollo spinale perse a causa dell'infiammazione.

L'insegnamento classico in neurologia è che una volta distrutto il tessuto neurologico da malattie, infezioni o traumi, non c'è rigenerazione. In questo modo il midollo spinale è molto diverso da altri organi come il rene, il fegato e il midollo osseo che hanno una notevole capacità di rigenerazione. Ora riconosciamo che c'è una certa ripresa da parte di endogeno meccanismi nel midollo spinale. Endogeno la rigenerazione si riferisce alla capacità delle cellule staminali del paziente di migrare verso il sito del danno e iniziare la riparazione. Queste cellule staminali hanno origine in profondità nel cervello e possono viaggiare fino al midollo spinale quando necessario. Ma nella maggior parte dei danni al midollo spinale negli esseri umani, le cellule staminali che arrivano misteriosamente non mediano la riparazione e alla fine muoiono. C'è uno sforzo per comprendere questo potenziale meccanismo di riparazione e migliorarlo (vedi il nuovo farmaco di Biogen in fase di sviluppo: l'anticorpo anti-Lingo) e questo è oggetto di un altro articolo di revisione.

Esistono altri studi sulle cellule staminali in corso in malattie correlate alla mielite trasversa, ma non si concentrano sulla rigenerazione. Piuttosto, queste "cellule staminali" che provengono dal midollo osseo, sono utilizzate per modulare il sistema immunitario nei pazienti che hanno malattie infiammatorie ricorrenti, come la sclerosi multipla, la neuromielite ottica o la mielite trasversa ricorrente. Il midollo osseo contiene due tipi di cellule staminali, quelle che diventeranno cellule immunitarie e le altre sono chiamate cellule staminali mesenchimali.

Le cellule staminali immunitarie vengono studiate per la loro capacità di riavviare il sistema immunitario nei pazienti con malattia ricorrente. L'approccio è simile a un trapianto di midollo osseo in cui un piccolo numero di cellule staminali immunitarie sane del paziente viene raccolto e conservato in laboratorio mentre i farmaci chemioterapici vengono utilizzati per spazzare via il resto del sistema immunitario. Quindi le cellule staminali immunitarie sane vengono sostituite e il sistema immunitario si riavvia interamente da quelle cellule staminali immunitarie sane. Questo approccio non è utile per i pazienti con mielite trasversa monofasica idiopatica perché quei pazienti non hanno un sistema immunitario aberrante; piuttosto, quei pazienti hanno un sistema immunitario sano che ha commesso un errore devastante in passato.

Anche le cellule staminali mesenchimali provengono dal midollo osseo ma non diventano cellule immunitarie. Nel corpo, normalmente si trasformano in cellule adipose, cellule cartilaginee per le articolazioni e cellule ossee. In laboratorio, possiamo trasformare le cellule staminali mesenchimali in molti altri tipi di cellule con la giusta combinazione di fattori di crescita e ormoni, comprese le cellule nervose. La possibilità che le cellule staminali mesenchimali diventino cellule nervose ha stimolato una corsa alla ricerca per utilizzarle per rigenerare il sistema nervoso. I primi studi hanno dimostrato che una singola iniezione di cellule staminali mesenchimali nei modelli murini di sclerosi multipla migliora la malattia. Studi successivi hanno confermato questi risultati, ma hanno concluso che l'effetto delle cellule staminali mesenchimali era sul sistema immunitario e non dovuto alla rigenerazione del tessuto nervoso. Anche se non completamente compreso, sembra che le cellule staminali mesenchimali raccolte dal midollo osseo di un paziente e poi iniettate nuovamente nel flusso sanguigno dello stesso paziente abbiano un effetto calmante sul sistema immunitario. Poiché le cellule provengono dal midollo osseo del paziente, questa procedura è molto sicura perché le cellule staminali hanno la stessa identità genetica e riconoscono ancora il loro nuovo ambiente come se stesse. Non ci sono essenzialmente complicazioni a lungo termine da questa procedura, anche se il prelievo di midollo osseo può essere un po' doloroso. Tuttavia, due gruppi stanno portando avanti gli studi sul trapianto di cellule staminali mesenchimali negli Stati Uniti. Ciò segue il lavoro in altri paesi in cui il trapianto mesenchimale nella sclerosi multipla ha mostrato alcuni benefici nella modulazione del sistema immunitario. Va notato che le cellule staminali mesenchimali negli animali e nell'uomo non hanno mai dimostrato di diventare cellule neurali. Anche quando vengono iniettati nel liquido spinale dei pazienti, sembra che interagiscano solo con le cellule immunitarie nel cervello e nel midollo spinale e non si sviluppino in cellule neurali. Analogamente ad altri approcci con cellule staminali del midollo osseo, non vi è alcun potenziale per la rigenerazione del midollo spinale nel trapianto di cellule staminali mesenchimali.

Un nuovo tipo di cellula del midollo osseo è stato recentemente identificato e denominato nel 2006 Very Small Embryonic-Like Stem Cells (cellule staminali VSEL). Queste cellule hanno origine nel midollo osseo e si mobilizzano dopo un danno fisico, incluso il danno cerebrale da ictus, ad esempio . Queste cellule vengono rilasciate nel flusso sanguigno dove presumibilmente si dirigono verso l'area danneggiata. Non è chiaro quale ruolo possano svolgere nel processo di guarigione, ma il loro potenziale per la rigenerazione del tessuto cerebrale e del midollo spinale è attualmente oggetto di indagine.

Le cellule staminali vivono anche in altre parti del corpo adulto. Il tessuto adiposo contiene cellule staminali che sono state studiate per la loro capacità di trasformarsi in altre cellule, compreso il tessuto cartilagineo. Esiste un'industria in crescita che utilizza le cellule staminali adipose per sostituire le articolazioni danneggiate. Queste cellule staminali grasse sono simili alle cellule staminali mesenchimali nel loro potenziale e non hanno dimostrato di rigenerare il tessuto del midollo spinale.

Il cordone ombelicale è un'altra ricca fonte di cellule staminali. Dopo il parto, molti ospedali offrono alle madri l'opportunità di depositare le proprie cellule staminali del cordone ombelicale per un potenziale uso futuro. Un uso comune di queste cellule staminali è per i trapianti di midollo osseo nei fratelli con leucemia; infatti, alcune madri hanno volutamente partorito un altro bambino per produrre cellule staminali del cordone ombelicale per il loro bambino malato. Queste cellule staminali servono a sostituire il midollo osseo dopo una dura chemioterapia per la leucemia e non sono state considerate per la rigenerazione del cervello e del midollo spinale.

I pazienti hanno chiesto se è possibile raccogliere cellule staminali dal proprio cervello e trapiantarle nel midollo spinale. Come accennato in precedenza, i cervelli umani adulti possiedono cellule staminali. Vivono in profondità nel cervello e possono rispondere ai danni nel sistema nervoso con capacità limitate. Il problema è che non esiste un modo affidabile per raccogliere cellule staminali dal cervello senza causare danni significativi. Le cellule staminali endogene costituiscono solo una piccola parte delle cellule nel mezzo del cervello, quindi non possono essere tagliate chirurgicamente e salvate in laboratorio. Anche provarci potrebbe portare a una significativa disabilità neurologica e forse alla morte. Tuttavia, Stem Cells Inc (Newark, CA) ha creato una linea di cellule staminali neurali da cervelli adulti, che vengono purificate e trapiantate nel cervello di bambini con la malattia di Batten. Sebbene non siano utili in questi bambini, si sono dimostrati relativamente sicuri e fattibili. Nel dicembre 2010, Stem Cells Inc ha ricevuto l'approvazione in Svizzera per procedere con una sperimentazione sulla lesione del midollo spinale, in cui avrebbero trapiantato le loro cellule staminali umane di derivazione adulta nel midollo spinale di 12 pazienti, da 3 a 12 mesi dopo il trauma iniziale. Il 22 settembre 2011, Stem Cells Inc ha annunciato di aver trapiantato con successo il suo primo paziente senza complicazioni. La loro speranza è che queste cellule staminali si adattino al loro nuovo ambiente e rigenerino il midollo spinale danneggiato.

Le cellule staminali umane adulte sono considerate limitate nella loro capacità di adattarsi all'ambiente e di svilupparsi in tutte le cellule necessarie per la rigenerazione. Per produrre cellule staminali che abbiano una capacità più ampia di rigenerare il tessuto del midollo spinale, gli scienziati si sono rivolti ad altri due tipi di cellule: cellule staminali fetali e cellule staminali embrionali. Le cellule staminali embrionali provengono dall'embrione precoce, diversi giorni dopo la fecondazione dell'uovo. Quando l'embrione cresce inizialmente, si divide da un uovo a due cellule, poi a quattro e poi a otto. A questo punto, ciascuna delle otto cellule ha la capacità di diventare un individuo. In teoria, se separassi quelle otto cellule e le facessi crescere, potrebbero formare otto esseri umani completamente identici. Hanno la capacità di diventare qualsiasi tipo di cellula e sono quindi chiamati totipotente. Dopo qualche altro giorno di divisione cellulare, un gruppo speciale di cellule, che formerà il feto, si raccoglie come massa cellulare interna. Queste sono le cellule che vengono raccolte come cellule staminali embrionali (Figura 1). In genere, le cellule staminali embrionali per la ricerca vengono acquisite da laboratori di fecondazione in vitro (IVF). Questi laboratori aiutano le coppie infertili ad avere bambini fecondando gli ovuli in laboratorio e inserendoli nell'utero della madre. Di solito producono 15-20 embrioni e congelano quelli che non vengono utilizzati, di solito allo stadio di 8 cellule. Quando la madre decide di non volere più figli, il laboratorio offre alla madre la scelta di distruggere gli embrioni rimanenti o di inviarli ai laboratori di ricerca. Nei laboratori di ricerca, le cellule staminali embrionali vengono coltivate in condizioni speciali per dividersi in più cellule staminali embrionali. In altre condizioni, queste cellule staminali embrionali possono essere sviluppate in diversi tipi di tessuto. Ad esempio, utilizzando un protocollo proprietario di 42 giorni, Geron Inc. (Menlo Park, CA) ha sviluppato un metodo per sviluppare cellule neurali trapiantabili che assomigliano all'oligodendroglia, cellule che producono la mielina, da cellule staminali embrionali. Geron è stata la prima azienda al mondo ad avviare una sperimentazione clinica con cellule staminali embrionali umane. Dopo aver trapiantato in sicurezza 4 pazienti con trauma del midollo spinale, Geron ha purtroppo interrotto le operazioni con cellule staminali il 14 novembre 2011, a causa di decisioni finanziarie. L'unica altra azienda statunitense a sviluppare una linea cellulare clinicamente utile da cellule staminali embrionali umane è Advanced Cell Technology (ACT, Santa Monica, CA). Il protocollo di ACT spinge le cellule staminali embrionali a diventare cellule specializzate nell'occhio per i pazienti con degenerazione maculare. ACT è unico tra le aziende di cellule staminali perché raccolgono le loro cellule staminali embrionali rimuovendo delicatamente una singola cellula da un embrione di 8 cellule senza danneggiare le altre 7 cellule. Questo processo consente all'embrione di 7 cellule di continuare potenzialmente il suo sviluppo in un essere umano completo e quindi evita la questione politicamente controversa della distruzione dell'embrione.

Un altro approccio che tenta di evitare la questione politicamente controversa della distruzione dell'embrione è stato dimostrato dall'International Stem Cell Corp (ISSC, Carlsbad, CA) utilizzando un processo chiamato partenogenesi. La partenogenesi è un metodo di riproduzione presente in natura che prevede la creazione di un embrione da un uovo senza necessità di fecondazione, creando così una specie di animali di sole femmine. Nel 2006, l'ISSC ha creato una linea di cellule staminali da un uovo umano inducendo chimicamente lo sviluppo senza fecondazione. L'ISCC ha creato una linea di linee di cellule staminali partenogenetiche derivate da uova razzialmente ed etnicamente diverse; creando una "banca di cellule staminali" che possa essere abbinata ai riceventi, il che ridurrebbe la possibilità di rigetto immunitario del trapianto. Tuttavia, la partenogenesi testata sperimentalmente nei mammiferi tende a creare organismi non vitali e l'utilità di queste cellule staminali è stata messa in dubbio.

Dirigere lo sviluppo di cellule staminali embrionali umane nei tessuti di interesse è difficile. Mentre alcune aziende sono riuscite a creare alcune linee di cellule speciali (Geron e Advanced Cell Technology, vedi sopra), la stragrande maggioranza delle cellule del corpo umano non può attualmente essere prodotta in un piatto da cellule staminali embrionali, specialmente per uso clinico. La biologia dello sviluppo da un embrione di 8 cellule a un essere umano completo è incredibilmente complessa e gli scienziati hanno appena iniziato a imparare come manipolare le cellule staminali embrionali per uso clinico. Per ottenere un "vantaggio" nel processo, alcuni gruppi hanno studiato il potenziale per lo sviluppo clinico di cellule staminali da un feto in fase avanzata. Un feto in fase successiva possiede cellule staminali chiamate cellule staminali fetali, che sono distinte dalle cellule staminali embrionali. Le cellule staminali fetali non possono diventare alcun tessuto nel corpo. Dopo lo stadio a 8 cellule, le cellule del feto iniziano a impegnarsi in un determinato tessuto. Ad ogni stadio successivo, le cellule del feto continuano a svilupparsi verso quel tessuto e perdono le loro caratteristiche cellulari embrionali. La tempistica della raccolta delle cellule staminali fetali è fondamentale perché se non si sono sviluppate a sufficienza, le cellule non svolgeranno necessariamente il compito richiesto senza un'ulteriore coltura in laboratorio. Se le cellule staminali fetali vengono raccolte troppo tardi, potrebbero essere troppo impegnate per adattarsi a un nuovo ambiente. Aziende, come NeuralStem (Rockville, MD), hanno sviluppato una linea di cellule staminali neurali da un feto abortito di 7 settimane e hanno ottenuto l'approvazione della FDA per trapiantare queste cellule nel midollo spinale di pazienti con la malattia di Lou Gehrig, al fine di provare a rigenerare i motoneuroni perduti e ripristinare la funzione neurologica.

Tutti gli approcci terapeutici con cellule staminali sopra menzionati richiederanno farmaci per evitare il rigetto immunitario dopo il trapianto. Proprio come con gli organi solidi, come il trapianto di reni o fegato, il sistema immunitario del ricevente tenterà di rimuovere il trapianto estraneo a meno che il sistema immunitario non venga soppresso con farmaci per il rigetto del trapianto. Ma una nuova idea potrebbe potenzialmente evitare la necessità di tali farmaci. L'idea è di personalizzare la cellula staminale per ogni individuo e creare una linea cellulare di tipo embrionale dal DNA del paziente. Uno di questi approcci, chiamato clonazione, è vietato negli Stati Uniti. La clonazione comporta la rimozione del DNA dalle cellule della pelle di un paziente e l'impianto in un uovo enucleato. L'uovo conterrebbe tutto il DNA necessario per la vita e sarebbe una corrispondenza genetica identica al donatore di DNA. In teoria, se questo uovo si sviluppasse in un essere umano completo, sarebbe un clone del donatore di DNA. La clonazione è stata eseguita con successo negli animali, incluso il famoso Dolly the Sheep, e molti animali clonati vivono una vita normale e sana. Ma negli esseri umani, la clonazione è irta di questioni etiche. Gli americani preferiscono evitare questi problemi e hanno scelto di vietare del tutto il processo.

Nel 2006, uno scienziato giapponese ha trovato un altro modo per creare una linea di cellule staminali personalizzata prendendo le cellule della pelle da un donatore ed esponendo le cellule a quattro virus contenenti particolari geni coinvolti nello sviluppo iniziale delle cellule. Le cellule della pelle si sono notevolmente trasformate indietro nel tempo per diventare di nuovo embrionali. Queste cellule sono chiamate cellule staminali pluripotenti indotte (cellule iPS) e possono essere create da quasi tutte le cellule, non solo dalla pelle. Lasciate in un piatto, le cellule iPS tendevano quindi a svilupparsi nuovamente in un/il tipo cellulare originale, ma potevano essere forzate in un altro lignaggio cellulare utilizzando la giusta combinazione di fattori di crescita e ormoni. In teoria, queste cellule iPS trapiantate nuovamente nel donatore non verrebbero rifiutate perché riconosciute come sé. Il problema dell'utilizzo di virus per creare cellule iPS è stato risolto quando un altro gruppo ha dimostrato che si potevano utilizzare invece prodotti proteici. Le cellule iPS devono ancora affrontare un ostacolo significativo per l'uso clinico perché, manipolando i geni dello sviluppo, c'è il rischio che queste cellule perdano il loro senso di maturità e si trasformino in una cellula simile al cancro. Ampi studi sulla sicurezza dovranno essere condotti con le cellule iPS prima che ci sia qualche possibilità che possano essere utilizzate negli studi clinici.

In sintesi, negli ultimi 15 anni è esploso l'interesse per l'utilizzo delle cellule staminali per rigenerare il cervello e il midollo spinale. Diversi studi clinici sono già in corso negli Stati Uniti e in Europa per valutare la sicurezza e l'efficacia preliminare di diversi tipi di cellule staminali nel trattamento del trauma del midollo spinale. Nessuno di questi studi, o qualsiasi altro studio umano di cellule staminali pubblicato fino ad oggi, ha dimostrato prove conclusive della rigenerazione del midollo spinale o del cervello, sebbene questo sia l'obiettivo. Molte aziende straniere hanno siti web che offrono "sperimentazioni con cellule staminali" per il trattamento della SM e di altri disturbi neurologici, ma c'è poca o nessuna scienza a sostegno delle loro affermazioni. Al Panama Stem Cell Institute, ad esempio, i medici raccoglieranno cellule staminali mesenchimali dal tessuto adiposo e le reinietteranno nel paziente per via endovenosa tre volte nel corso di una settimana al prezzo di circa $ 5000. Supponendo che le loro strutture siano pulite e sterili, è probabile che questa procedura sia sicura e le cellule mesenchimali possano avere un impatto positivo sul sistema immunitario per calmarlo come descritto sopra. Ma le cellule staminali mesenchimali del tessuto adiposo non porteranno alla rigenerazione del midollo spinale o del cervello. Prima di decidere di fare un viaggio del genere, considera che qualsiasi precedente terapia con cellule staminali probabilmente escluderà un paziente dalla partecipazione a uno studio sulle cellule staminali con sede negli Stati Uniti. Questo perché i ricercatori devono sapere che il potenziale impatto proveniva dalle loro cellule staminali e non da un precedente trapianto di cellule staminali. Per ora, è meglio spendere quei soldi facendo una vacanza rilassante sulla spiaggia di Panama.

Al momento non ci sono studi sulle cellule staminali per il trattamento di malattie infiammatorie o demielinizzanti del cervello e del midollo spinale, ma diversi gruppi, tra cui l'industria e il mondo accademico, stanno lavorando insieme su modelli animali che possono essere rapidamente tradotti in sperimentazioni umane nel prossimo futuro. Alla Johns Hopkins, i ricercatori del Transverse Myelitis Center stanno lavorando con NeuralStem per testare il potenziale delle cellule staminali neurali di rigenerare il midollo spinale dopo l'infiammazione e migliorare il recupero neurologico nei modelli di roditori di mielite trasversa e sclerosi multipla. Allo stesso modo, stanno trapiantando le cellule staminali neurali nei nervi ottici per testare il loro potenziale per recuperare la vista dopo la neurite ottica. Poiché le cellule staminali neurali di NeuralStem sono già approvate per la sicurezza dalla FDA, la traduzione di questi studi sugli animali in studi clinici sugli esseri umani sarà molto più rapida. La linea temporale del gruppo TM alla Johns Hopkins, supponendo che trovino successo nei loro modelli animali, è di passare a una sperimentazione umana nella mielite trasversa e nella neurite ottica entro il 2014.