Cellule staminali: aspetti scientifici e filosofici

Esame di Stato

Liceo classico “Andrea Maffei”

Con annessi liceo scientifico e indirizzi sperimentali

Linguistico e socio-psico-pedagogico

La scoperta delle

Cellule staminali

Aspetti scientifici e filosofici

di Cristiano Parisi

Anno scolastico 2006-2007 Cl. “VB”

Liceo scientifico

Indice

Parte prima: aspetti scientifici

1. Introduzione pag. 3

1.1 Totipotenza, pluripotenza, multipotenza: il “ciclo” delle staminali

1.2 Breve storia delle scoperte sulle staminali

2. Caratteristiche biologiche e ricerca scientifica pag. 6

2.1 Staminali adulte

2.1.1 Divisione asimmetrica

2.1.2 Divisione simmetrica

2.2 Staminali embrionali

2.3 Staminali fetali

2.4 Ultime scoperte

3. Applicazioni mediche pag. 13

3.1 Medicina rigenerativa

3.2 Terapie già applicate

3.3 Terapie in fase di ricerca

Parte seconda: aspetti filosofici

4. La bioetica pag. 16

4.1 Due etiche alternative

4.2 Etica della sacralità della vita

4.3 Etica della qualità della vita

5. Le questioni bioetiche sulle staminali pag. 18

5.1 Enti e comitati per la bioetica

5.2 Il dibattito bioetico e le leggi sulla ricerca nel mondo.

5.3 Il dibattito bioetico e le leggi sulla ricerca in Italia

Parte terza: un articolo scientifico in lingua inglese

6. Articolo da BBC News pag. 21

7. Riassunto pag. 25

La scoperta delle cellule staminali: aspetti scientifici e filosofici 2

Parte prima: aspetti scientifici

1. Introduzione

Come tutti ormai sappiamo il nostro corpo è formato da diversi organi, gli organi sono formati da tessuti e i tessuti sono formati da cellule.

La cellula è l’unità fondamentale della vita e ogni organismo vivente è composto di cellule.

Le cellule staminali sono un tipo molto particolare di cellule; talmente particolare da dar lavoro a centinaia di ricercatori che da qualche anno passano la loro vita a studiare unicamente questo tipo di cellule.

Ma perché tutto ciò? Cos’hanno di tanto particolare le cellule staminali?

Per capirlo possiamo partire dall’etimologia dell’aggettivo “staminale”: staminale deriva da “stame” che significa “ceppo”, “stipite”, “origine”. Quindi dall’aggettivo si deduce che le cellule staminali hanno a che fare con l’origine. Ma l’origine di che cosa? Di tutto! Esattamente.

Ora cercherò di chiarire meglio questa affermazione.

Per cominciare, al momento della fecondazione di ogni essere vivente, possiamo trovare le staminali per eccellenza: le staminali embrionali. L’origine di ogni essere vivente è lo zigote, che è il frutto dell’incontro tra lo spermatozoo (gamete maschile) e l’ovulo (gamete femminile). Ben presto lo zigote inizia a dividersi dando così inizio al processo di creazione di un nuovo essere vivente. A questo stadio della vita compaiono le cellule staminali embrionali che danno vita all’embrione. In seguito analizzerò nel dettaglio questo processo.

Ora però vorrei passare a un’altra funzione che svolgono le cellule staminali: il mantenimento in vita di un organismo. Quando un organismo vive le sue cellule sono sottoposte in continuazione a un decadimento, dovuto agli stessi processi che le fanno vivere, che le porta in tempi più o meno lunghi alla morte, questi tempi però sono sempre minori a quelli di vita dell’intero organismo (tranne qualche eccezione, come il caso di alcuni neuroni). I tessuti del nostro corpo dove le cellule “muoiono” più velocemente sono il tessuto sanguineo e quello epiteliale. Qualche decennio fa si pensava che le cellule continuassero a dividersi per soddisfare il fabbisogno di nuove cellule, quindi alla base del mantenimento di un organismo era posta la divisione cellulare. Dopo la scoperta delle cellule staminali invece si è capito che alla base dei processi di divisione cellulare ci sono cellule diverse da quelle specializzate dei singoli organi: queste sono le cellule staminali adulte.

In definitiva le cellule staminali sono alla base sia dello sviluppo dell’organismo prima della nascita, sia del mantenimento in vita dell’organismo stesso dopo la nascita. Penso che questo basti a giustificare il particolare interesse nei confronti di queste cellule.

Per fortuna però non finisce tutto qui: queste scoperte aprono nuove frontiere alla medicina che teoricamente possono portare a soluzioni di molti problemi prima inimmaginabili.

1.1 Totipotenza, pluripotenza, multipotenza: il “ciclo” delle staminali

Per capire cosa sono le cellule staminali e che ruolo hanno nel nostro organismo, bisogna partire dall’inizio della nostra esistenza: il momento della fecondazione. Analizzando il processo di formazione di un organismo si può osservare il momento in cui nasce ogni tipo di cellula staminale.

Una cellula è definita staminale se è in grado di dar luogo a una progenie di cellule via via sempre più differenziate e specializzate.

Esistono diversi tipi di cellule staminali che possono essere classificati, in base alla loro capacità di generare progenie, in: totipotenti, pluripotenti, multipotenti e unipotenti. L’organismo adulto possiede solo cellule staminali unipotenti; gli altri tipi di cellule staminali si possono ritrovare solo nel corso dello sviluppo embrionale e fetale.

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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 dà 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.
• L’ectoderma che darà vita a: sistema nervoso centrale, pelle.

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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:

• Popolazioni cellulari in espansione, presenti nei tessuti che continuano a crescere per lungo tempo.
• Popolazioni cellulari stabili, che compongono i tessuti non soggetti a crescita.
• 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 chiave 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 - Il 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 fatte 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.

La scoperta delle cellule staminali: aspetti scientifici e filosofici 6

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. È 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 cerebrali, 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 duplicato; la fase 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, dà vita a due cellule diverse tra loro.

• Una cellula figlia uguale alla cellula che l’ha generata.
• Un’altra cellula detta cellula di transito che inizia il processo di differenziazione.

Fig. 4: ciclo cellulare

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.