Cellula staminale pluripotente indotta

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Una cellula staminale pluripotente indotta (conosciuta anche come iPS o iPSC dall'inglese Induced Pluripotent Stem Cell) è un tipo di cellula staminale generata artificialmente a partire da una terminalmente differenziata (in genere una cellula somatica adulta), mediante l’introduzione di quattro geni specifici codificanti determinati fattori di trascrizione che ne inducono la conversione.

Le cellule staminali pluripotenti indotte sono per molti aspetti simili alle cellule staminali pluripotenti naturali, come le staminali embrionali. Tali caratteristiche comuni comprendono l'espressione di geni e proteine staminali, il pattern di metilazione della cromatina, il tempo di raddoppiamento, la formazione del corpo embrioide, la creazione di teratoma, la possibilità di formare chimere, la potenza e la differenziabilità, sebbene la loro relazione con le cellule staminali pluripotenti naturali non sia ancora completamente definita.[1]

Sulla base di tali proprietà, le iPSC offrono grandi speranze nel campo della medicina rigenerativa: la possibilità di indurne la differenziazione nella maggior parte dei tipi cellulari di un organismo (come ad esempio cellule neuronali, pancreatiche, cardiache ed epatiche), può essere sfruttata nella rigenerazione di tessuti o organi danneggiati.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

Le iPSCs sono state prodotte per la prima volta nel 2006 a partire da cellule di topo, e nel 2007 da cellule umane in una serie di esperimenti condotti dal gruppo del professor Shinya Yamanaka presso l'Università di Kyoto, in Giappone. Questa scoperta gli è valsa sia il premio Wolf sia il premio Nobel, entrambi per la medicina.[2][3] [4] Le iPSCs sono state indicate come un importante passo in avanti nella ricerca sulle cellule staminali, in quanto permettono ai ricercatori di ottenere cellule staminali pluripotenti, importanti in ricerca e potenzialmente in terapia, senza ricorrere ai controversi embrioni. Inoltre la possibilità di ottenere cellule staminali a partire della cellule somatiche del paziente le rende potenzialmente non immunogeniche, sebbene alcuni ricercatori abbiano espresso dubbi su questa possibilità.[5]

A seconda del metodo usato, la riprogrammazione di cellule adulte per ottenere iPSCs può comportare rischi significativi che ne potrebbero limitare l'uso nell'uomo. Ad esempio, se per alterare geneticamente la cellula vengono utilizzati virus potrebbe potenzialmente essere aumentata l'espressione di geni oncogeni. Nel febbraio del 2008 un gruppo di scienziati ha annunciato la scoperta di una tecnica che potrebbe rimuovere i geni oncogeni in seguito all'induzione della pluripotenza, aumentando quindi il potenziale uso terapeutico delle iPS.[6] Nell aprile del 2009 è stato dimostrato che la generazione di cellule iPS è possibile senza alcuna alterazione genetica delle cellula adulta: un ripetuto trattamento delle cellule con certe proteine introdotte nella cellula tramite ancore di poli-arginina è, infatti, sufficiente ad indurre la pluripotenza. [7] Ci si riferisce alle iPS ottenute mediante questa tecnica come piPSCs (dall'inglese protein-induced pluripotent stem cells).

Prima generazione[modifica | modifica wikitesto]

Le staminali pluripotenti indotte all'inizio vennero generate dal team del Dr. Shinya Yamanaka all'Università di Kyoto, Giappone, nel 2006. Yamanaka utilizzò retrovirus per trasdurre fibroblasti di ratto con altri geni che si pensavano associati alle cellule staminali. Ad un certo punto, quattro geni chiave per la produzione di staminali pluripotenti vennero isolati: Oct-3/4, Sox2, c-Myc, e Klf4. Le cellule vennero selezionate tramite selezione antibiotica per le cellule Fbx15+. Però questa linea di iPS mostrò errori nella metilazione del DNA in confronto agli schemi naturali nella linea ESC e la produzione di chimere funzionali fallì.

Seconda generazione[modifica | modifica wikitesto]

Nel giugno del 2007, lo stesso gruppo pubblicò uno studio innovativo insieme con altri due gruppi di ricerca indipendenti di Harvard, del MIT, e dell'Università della California di Los Angeles, ottenendo con successo la riprogrammazione dei fibroblasti in iPS ed anche la produzione di chimere vitali. Queste linee cellulari sono derivate dai fibroblasti di ratto tramite riattivazione retrovirale degli stessi quattro fattori endogeni, ma i ricercatori questa volta selezionarono marker differenti. Invece di Fbx15, utilizzarono Nanog, che è un gene importante per la ESC (cellula staminale embrionale).

Gli schemi di metilazione del DNA e la produzione di chimere vitali (di conseguenza contribuendo alla produzione delle successive linee germinali) indica che Nanog è uno dei fattori principali per la pluripotenzialità cellulare. [1][8][9][10]

Sfortunatamente, una delle quattro sequenze genetiche (c-Myc) necessarie per l'induzione di pluripotenzialità, è cancerogena, ed il 20% dei ratti con impianti iPS sviluppano teratomi cancerosi. In uno studio successivo, Yamanaka ha riferito che si possono creare IPS anche senza c-Myc. Il processo richiede più tempo e non è efficiente come l'altro, ma le chimere risultanti non sviluppano il cancro.[11]

Produzione[modifica | modifica wikitesto]

Uno schema per generare le cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC)
(1)Isolare e coltivare le cellule del donatore
(2)Transfettare le cellule staminali-associate ai geni all'interno delle cellule attraverso vettori virali. Le cellule rosse indicano le cellule che esprimono i geni esogeni
(3)Raccogliere e coltivare le cellule secondo le colture cellulari ES
(4)Un piccolo sottoinsieme di cellule transfettate diventa iPSC e genera ES-come colonie.

Le cellule iPS vengono tipicamente derivate per trasfezione (più propriamente tramite trasduzione) di particolari geni associati alle staminali, all'interno di cellule non pluripotenti, come i fibroblasti adulti. La trasduzione è normalmente ottenuta attraverso vettori virali, come i retrovirus. I geni trasdotti includono regolatori trascrizionali Oct-3/4 (Pouf51) e Sox2, anche se ci sono indizi che altri geni migliorino l'efficienza dell'induzione. Dopo 3/4 settimane, piccoli gruppi di cellule trasdotte cominciano a diventare morfologicamente e biochimicamente simili alle staminali pluripotenti[12], e sono tipicamente isolate tramite selezione morfologica, tempi di divisione, o attraverso un gene reporter e selezione tramite antibiotico.

Vi sono anche altri metodi per la produzione delle cellule staminali:

·        Fusione di una cellula staminale embrionale con una cellula somatica adulta;

·        Introduzione del nucleo di una cellula differenziata somatica in un oocita enucleato non fertilizzato.

Topi con due padri[modifica | modifica wikitesto]

Alcuni scienziati della riproduzione dell'Università del Texas M. D. Anderson Cancer Center, hanno creato topi con DNA nucleare (nDNA) proveniente solo da due padri, ricorrendo alle tecniche iPS.[13][14] Fibroblasti fetali provenienti da un padre (XY) sono stati coltivati e l'1% delle cellule risultanti hanno spontaneamente perso il cromosoma Y; presentando un corredo cromosomico analogo ad individui con Sindrome di Turner (X0).[15] Le cellule sono state inserite in blastociti femminili (XX) che sono stati impiantati in madri surrogato per formare chimere femmine (X0/XX). Quindi questi topi sono stati fatti accoppiare con topi maschi (XY). Alcuni dei figli avevano il nDNA del padre originale sia del padre dell'accoppiamento, ma non dei blastociti femminili o della madre surrogato. Sia i topi maschi che femmine con due padri erano interfecondi.

Cellule staminali pluripotenti indotte[modifica | modifica wikitesto]

Nel novembre del 2007, è stata posta una pietra miliare ampiamente documentata nella stampa[13] con la creazione di iPS da cellule umane adulte da due gruppi di ricerca indipendenti - uno su Science by James Thomson e colleghi dell'Università del Winsconsin-Madison[14] ed il secondo su Cell da Shinya Yamanaka e colleghi dell'Università di Kyoto, giappone[15].

Con lo stesso principio applicato ai ratti, Yamanaka ha con successo trasformato i fibroblasti umani in cellule staminali pluripotenti usando gli stessi geni: Oct3/4, Sox2, Klf4, e c-Myc, per mezzo di infezione retrovirale. Thomson e colleghi utilizzarono OCT4, SOX2, NANOG, ed un gene differente, LIN28, con sistema lentivirale. Questo avanzamento può eliminare la necessità del controverso utilizzo delle staminali embrionali umane (hESC) nella ricerca applicata.

Comunque, i ricercatori in questo campo sono generalmente d' accordo sul continuare le ricerche sulle hESC fino a quando le iPSC diverranno una realtà sufficientemente diffusa nei laboratori di ricerca negli anni a venire.

Applicazioni[modifica | modifica wikitesto]

Le cellule staminali pluripotenti meglio caratterizzate, sono quelle embrionali, ma il loro utilizzo comporta problemi etici associati alla manipolazione e/o alla distruzione dell’embrione nella fase di preimpianto. Tale problema può essere evitato, utilizzando cellule staminali derivate da quelle adulte indotte alla pluripotenza. Ciò permette la loro applicazione in trapianti autologhi, che riducono il rischio di rigetto, anche se tale tecnologia non è ritenuta del tutto sicura. Le iPSC vengono anche utilizzate per lo sviluppo di cure personalizzate sulla base della loro risposta a trattamenti farmacologici.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ a b Kazutoshi Takahashi, Shinya Yamanaka, Induction of Pluripotent Stem Cells from Mouse Embryonic and Adult Fibroblast Cultures by Defined Factors in Cell, vol. 126, nº 4, 2006, pp. 663–676, DOI:10.1016/j.cell.2006.07.024.
  2. ^ Whitehead Member Rudolf Jaenisch honored for groundbreaking stem cell research, mit. URL consultato il 1º gennaio 2012.
  3. ^ THE 2011 WOLF FOUNDATION PRIZE IN MEDICINE, Wolf foundation. URL consultato il 1º gennaio 2012.
  4. ^ Nobel Prize in Medicine 2012 Press release, Nobel Foundation. URL consultato l'8 ottobre 2012.
  5. ^ Tongbiao Zhao, Zhen-Ning Zhang, Zhili Rong, Yang Xu, Immunogenicity of induced pluripotent stem cells in Nature, 2011, DOI:10.1038/nature10135.
  6. ^ Karen Kaplan, Cancer threat removed from stem cells, scientists say in Los Angeles Times, 6 marzo 2009.
  7. ^ Hongyan Zhou, Shili Wu, Jin Young Joo, Saiyong Zhu, Dong Wook Han, Tongxiang Lin, Generation of Induced Pluripotent Stem Cells Using Recombinant Proteins in Cell Stem Cell, vol. 4, nº 5, 2009, pp. 381–384, DOI:10.1016/j.stem.2009.04.005, PMID 19398399.
  8. ^ Yamanaka S, et. al. | Generation of germline-competent induced pluripotent stem cells | Nature 2007;448:313-7 | PMID 17554338
  9. ^ K. Okita, T. Ichisaka; S. Yamanaka, Generation of germline-competent induced pluripotent stem cells. in Nature, vol. 448, nº 7151, luglio 2007, pp. 313-7, DOI:10.1038/nature05934, PMID 17554338.
  10. ^ M. Wernig, A. Meissner; R. Foreman; T. Brambrink; M. Ku; K. Hochedlinger; BE. Bernstein; R. Jaenisch, In vitro reprogramming of fibroblasts into a pluripotent ES-cell-like state. in Nature, vol. 448, nº 7151, luglio 2007, pp. 318-24, DOI:10.1038/nature05944, PMID 17554336.
  11. ^ Nikhil Swaminathan, Stem Cells—This Time without the Cancer su Scientific American News, 30 novembre 2007. URL consultato l'11 dicembre 2007.
  12. ^ Le cellule pluripotenti sono cellule staminali che possono differenziarsi in ogni tipo tissutale ma non possono dare origine ad un nuovo organismo
  13. ^ Widely covered in press | Google News keyword search results for Thomson Yamanaka
  14. ^ Thomson JA, Yu J, et al. | Induced Pluripotent Stem Cell Lines Derived from Human Somatic Cells | Science DOI: 10.1126/science.1151526 | PMID 18033853
  15. ^ Yamanaka S, et al. | Induction of Pluripotent Stem Cells from Adult Human Fibroblasts by Defined Factors | doi:10.1016/j.cell.2007.11.019 | PMID 18035408

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