Cellule staminali: aspetti scientifici e filosofici

Figura 1. Staminali totipotenti, pluripotenti, multipotenti e unipotenti

Per capire la differenza tra queste cellule le analizzerò singolarmente, all’interno del processo di

sviluppo del nostro organismo:

 Cellule staminali Totipotenti:

Quando lo spermatozoo si incontra con l’ovulo da vita allo zigote; questa è la prima cellula

del nuovo organismo che possiede un corredo genetico unico. Lo zigote in una prima fase si

divide uguale a se stesso dando vita a un piccolo ammasso di cellule. Queste cellule sono

staminali totipotenti perché sono in grado di dar vita a tutto ciò che serve al successivo

sviluppo. Se a questo punto dello sviluppo l’ammasso di cellule si separa in due, nascono

due organismi geneticamente uguali, cioè i gemelli omozigoti.

Tra la terza e la quarta divisione cellulare le cellule iniziano a perdere la loro totipotenza. A

questo punto avviene la formazione della morula, così chiamata perché l’uovo fecondato

assume la forma di una piccola mora, composta all’incirca da sedici cellule.

 Cellule staminali Pluripotenti

Allo stadio di morula la segmentazione si accentua, le cellule cominciano a produrre un

liquido che va a riempire gli spazi intercellulari e poi si raccoglie al centro della morula. Si

passa così allo stadio di formazione della blastocisti. A questo punto compaiono due

genealogie cellulari:

 Le cellule esterne della morula formano il trofoblasto (termine che significa

“germe di ciò che nutre e sostiene”: questo darà luogo alla placenta e agli

altri sistemi di sostegno che serviranno allo sviluppo in utero dell’embrione

(ma che non comporranno l’embrione stesso)

 Le cellule più interne della morula formano l’embrioblasto (germe

dell’embrione): questo darà vita all’embrione vero e proprio e poi al feto

Le cellule del trofoblasto e dell’embrioblasto sono definite pluripotenti perché, se prese

singolarmente, non possono portare allo sviluppo di un organismo.

Le cellule dell’embrioblasto però possono dar vita a tutti i tessuti presenti in un uomo

sviluppato. Sono queste le famigerate cellule staminali embrionali, oggetto di ricerca

scientifica e di dispute bioetiche.

 Cellule staminali multipotenti:

A partire dall’ottavo giorno dal concepimento, l’embrioblasto assume l’aspetto di un disco

nel quale si possono distinguere tre strati diversi di cellule, detti foglietti germinativi:

 L’endoderma che darà vita a: intestino, sistema respiratorio, fegato e altri

tessuti.

 Il mesoderma che darà vita a:cellule del sangue, vasi sanguigni, cuore e altri

tessuti.

La scoperta delle cellule staminali: aspetti scientifici e filosofici 4

 L’ectoderma che darà vita a: sistema nervoso centrale, pelle

Le cellule dei foglietti germinativi quindi non possono dar vita a tutti i tessuti di un

organismo sviluppato, ma solo a quelli sopra specificati.

 Cellule staminali unipotenti:

Terminato lo sviluppo dell’organismo rimane una sola categoria di cellule staminali: le

staminali unipotenti. Queste sono chiamate anche staminali adulte o staminali tessuto

specifiche.

L’organismo adulto è composto da tre tipi di popolazioni cellulari:

a) Popolazioni cellulari in espansione, presenti nei tessuti che continuano a crescere per

lungo tempo

b) Popolazioni cellulari stabili, che compongono i tessuti non soggetti a crescita

c) Popolazioni cellulari di rinnovo, presenti nei tessuti il cui normale funzionamento

richiede la continua reintegrazione delle cellule via via perdute.

Quest’ultimo processo avviene quotidianamente in tessuti come la pelle, i capelli, le unghie,

il sangue e altri. In altri tessuti che compongono organi come il cuore o il cervello, questo

processo può avvenire, ma molto più raramente che nei tessuti sopra citati. Al termine del

loro sviluppo i nostri organi mantengono una sorta di magazzino-officina che contiene la

materia prima con la quale, quando è necessario vengono prodotte le cellule di ricambio per

mantenere il sistema in condizioni normali. Figura 2: diversi tipi di staminali

con distinzione tra i foglietti

germinativi

1.2 BREVE STORIA DELLE SCOPERTE SULLE STAMINALI

La storia della ricerca sulle cellule staminali è storia recente. Questa entità biologica è stata scoperta

solo a partire dalla seconda metà di questo secolo e si è sviluppata in modo significativo solo negli

ultimi dieci anni. Nella pagina seguente riporto gli eventi chiavi della ricerca.

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Eventi chiave della ricerca staminali (fonte: Wikipedia)

 1960s - Joseph Altman e Gopal Das presentano prove di neurogenesi adulta e di attività da parte di

cellule staminali nel cervello: quanto affermano contraddice il dogma di Cajal che escludeva la

possibilità di formazione di nuovi neuroni

 1963 - McCulloch e Till illustrano la presenza di cellule staminali autorinnovanti nel midollo osseo

di topo

 1968 - trapianto di midollo osseo tra due fratelli tratta con successo la SCID

 1978 - vengono scoperte cellule staminali ematopoietiche nel cordone ombelicale umano

 1981 - vengono derivate cellule embrionali staminali di topo dalla massa cellulare interna

 1992 - cellule staminali neurali sono coltivate in vitro sotto forma di neurosfere

 1995 - Bill Clinton firma una legge che rende illegali fondi federali per la ricerca su cellule staminali

ottenute con la distruzione dell'embrione

 1997 – con la clonazione della pecora Dolly, si dimostra che il nucleo di cellule mature può essere

riattivato per creare un nuovo organismo, se inserito in un ovulo e fecondato.

 1997 - si dimostra che la leucemia origina da cellule staminali ematopoietiche: è la prima prova

diretta dell'esistenza di un nesso tra cellule staminali e cancro

 1998 - James Thomson e i suoi collaboratori derivano la prima linea di cellule staminali embrionali

presso l'Università del Wisconsin-Madison.

 1999 – viene dimostrata la trans-differenziazione delle cellule staminali del cervello, che inserite nel

midollo osseo diventano staminali ematopoietiche

 2000s - vengono pubblicati numerosi studi sulla plasticità delle cellule staminali adulte

 2003 - Songtao Shi dell'NIH scopre una nuova fonte di cellule staminali adulte nei denti da latte dei

bambini

 2004-2005 - Hwang Woo-Suk asserisce di avere creato numerose linee di cellule staminali

embrionali umane da ovociti umani non fertilizzati. Si scopre che non era vero

 19 luglio 2006 - George W. Bush firma il veto della legge che avrebbe permesso l'uso di fondi

federali per la ricerca su cellule staminali ottenute dalla distruzione dell'embrione

 7 gennaio 2007 - Un pool di scienziati, comprendenti l'italiano Paolo De Coppi, annuncia di aver

scoperto cellule staminali nel liquido amniotico

 Giugno 2007 – Un gruppo di scienziati giapponesi e americani hanno riprogrammato cellule

staminali di topi adulti e le hanno fatto diventare staminali pluripotenti, simili alle embrionali.

2. CARATTERISTICHE BIOLOGICHE E RICERCA SCIENTIFICA

2.1 LE STAMINALI ADULTE

Le cellule staminali adulte, come già accennato nell’introduzione, sono fondamentali per il

mantenimento in vita dell’organismo e dei suoi tessuti. Infatti la sola divisione cellulare delle

cellule mature (già specializzate) non riuscirebbe a far fronte alla degradazione dei tessuti

fondamentalmente per due motivi :

1. ogni volta che viene replicato il dna di una cellula, nel processo di divisione cellulare, c’è il

rischio di errori di copiatura del codice genetico. Se le nuove cellule provenissero tutte da

cellule mature gli errori si accumulerebbero in breve tempo, portando alla morte

dell’organismo. (per mezzo di malattie come i tumori..)

2. in molti casi le cellule mature dei tessuti sono talmente complesse da non potersi più

dividere.

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Detto questo, appare chiaro come ci

sia bisogno di un tipo di cellule

diverso, le staminali appunto, che

provveda alla sostituzione delle

cellule logorate, nei tessuti che

compongono i nostri organi. Queste

cellule si trovano in posizioni

strategiche, all’interno degli organi,

che permettono loro di sapere

(tramite impulsi biochimici) se c’è

bisogno di produrre cellule mature.

Fino ad ora i ricercatori hanno isolato

cellule staminali in alcuni organi ma

questo è un campo in continua

evoluzione. E’ plausibile che ci siano

staminali in tutti gli organi del nostro

corpo e che la loro scoperta sia solo

una questione di tempo.

Fig 3: staminali adulte del Midollo osseo, della pelle e

dell’intestino

Tra le staminali adulte più importanti, scoperte fino ad ora, ci sono:

 le staminali del midollo osseo tra le quali si distinguono: le ematopoietiche che

hanno il compito di creare le cellule del sangue (globuli rossi, globuli bianchi,

piastrine ecc); le mesenchimali che generano ossa e cartilagine;

 Le staminali dell’epitelio che hanno il compito di produrre le cellule del nostro

epitelio;

 Le staminali del fegato, del pancreas, del cuore.

 Le staminali celebrali, che provvedono al rinnovo di alcuni neuroni in alcune zone

del cervello. La scoperta di staminali nel cervello è stata sorprendente perché prima

si pensava che i neuroni di un individuo fossero quelli presenti sin dalla nascita.

Molte di queste cellule, oltre che produrre le cellule mature del tessuto in cui risiedono, in ambienti

diversi, possono produrre anche cellule diverse dal loro tessuto di appartenenza. Questo fenomeno è

una scoperta recente ed è detto trans-differenziazione, di questo parlerò in modo più approfondito

nel punto 2.4.

2.1.1 DIVISIONE ASIMMETRICA

In questo paragrafo vorrei analizzare, a grandi linee, i motivi della particolare caratteristica delle

cellule staminali: la loro “staminalità”, cioè la capacità di produrre cellule più specializzate, diverse

da loro stesse. Le radici di questa eccezionale proprietà vanno ricercate nel processo di duplicazione

cellulare:

 Le cellule normali seguono un ciclo cellulare (figura 4) che consiste in cinque fasi: la fase

G1 dove il materiale cellulare si accresce, la fase S dove il dna viene dupplicato; la dase G2

dove avvengono gli ultimi preparativi per la divisione cellulare. Infine c’è la fase mitotica

(fase M) dove avviene la divisione cellulare (in 4 passi) come si può vedere dalla figura 2.

Alla fine della mitosi nascono due cellule figlie identiche alla cellula madre che le ha

generate.

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Figura 4: ciclo cellulare

 Le cellule staminali invece si riproducono sempre per divisione cellulare, ma, anziché dare

vita a due cellule identiche tra loro danno vita a due cellule figlie diverse tra loro.

La divisione delle cellule staminali è detta divisione asimmetrica. (rappresentata in figura 6)

La divisione asimmetrica consiste in diverse fasi:

 Il ciclo cellulare procede in modo analogo alle cellule normali nelle fasi G1 S e G2.

 All’inizio della fase mitotica avviene un processo diverso: la cellula anziché dividersi in due

cellule figlie identiche, da vita a due cellule diverse tra loro.

 una cellula figlia uguale alla cellula che la ha generata

Fig 4: ciclo cellulare  un’altra cellula detta cellula di transito che inizia il processo di

differenziazione

A questo punto:

 la cellula figlia staminale prende il posto della cellula che l’ha generata

 la cellula di transito inizia a migrare verso il luogo dove c’è bisogno di nuove cellule

mature, e durante questo percorso effettua numerose divisioni.

In questo modo: 1) a partire da una singola cellula staminale si sono prodotte numerose cellule

differenziate che hanno rinnovato i tessuti

2) La cellula staminale figlia si è generata grazie a una sola divisione

cellulare, rendendo così minima la possibilità di errori di copiatura del

codice genetico.

Il processo di divisione asimmetrica è molto efficace però

presenta dei difetti: se per qualche motivo (come ad esempio un

trauma che comporta una perdita di staminali) si “inceppa” il