Le cellule staminali nelle malattie neurologiche

Cosa ci può insegnare la biologia delle staminali del cervello e quali applicazioni possono essere utili per riparare danni al sistema nervoso centrale?

di Stefano Pluchino
Editor: Ferdinando Pucci
Revisori Esperti: Elena Mutti, Carla Portulano
Revisori Naive: Catia Cialani, Nicola Ganci

Gli studi condotti nel corso degli ultimi venti anni per comprendere i meccanismi cellulari e molecolari relativi all’attività delle cellule staminali hanno spinto, più volte, a dover riconsiderare i vecchi concetti di medicina rigenerativa e di riparazione tissutale diretta a seguito di un trapianto di cellule staminali. Con questo articolo facciamo il punto sullo stato dell’arte di queste importanti tematiche

Alla fine degli anni Sessanta, all’interno del cervello di ratti adulti fu identificata una popolazione di cellule neurali in attiva proliferazione. Fu ipotizzata, per la prima volta, la presenza di una riserva di cellule staminali cerebrali adulte che potessero mantenere una condizione di equilibrio ed eventualmente partecipare alla riparazione tissutale. Ulteriori studi hanno permesso di identificare le caratteristiche principali delle cellule staminali del cervello adulto in vivo, sia in roditori, sia in primati, sia nel cervello umano. Parallelamente, l’utilizzo di approcci in vitro ha permesso di identificare gran parte dei meccanismi di regolazione delle cellule staminali neurali.

Si definiscono staminali tutte le cellule immature capaci di: (1) autorinnovarsi (self-renewal), cioè proliferare tramite divisione cellulare asimmetrica e generare una progenie in grado di mantenere inalterate le caratteristiche di proliferazione e differenziamento della popolazione di partenza; (2) proliferare, caratteristica non presente nelle cellule terminalmente differenziate; e (3) differenziarsi, in seguito a divisione cellulare simmetrica in progenitori prima, e cellule mature dopo, competenti per una delle tre linee cellulari derivanti dal neuroectoderma, ossia neuroni, oligodendrociti e astrociti.

Nel sistema nervoso centrale (SNC) adulto si possono trovare “nicchie” di cellule staminali e cellule progenitrici in diversi stadi differenziativi. Per convenzione, l’insieme di cellule staminali e precursori neurali residenti nelle nicchie del cervello adulto sono definite cellule staminali/precursori neurali (NSCs).

Le nicchie staminali sono state localizzate nel cervello adulto nella zona subventricolare (sub-ventricular zone o SVZ) dei ventricoli laterali, nella zona subgranulare del giro dentato dell’ippocampo, e a ridosso del canale centrale del midollo spinale. La maggior parte dei dati sulla neurogenesi nel cervello adulto di diverse specie di mammiferi (compreso l’uomo) è stata ricavata studiando la nicchia della SVZ, che rappresenta la regione neurogenica più grande e meglio definita del SNC. Questa regione contiene almeno quattro tipi cellulari differenti: progenitori neuronali (neuroblasti o cellule A), che sono circondati da “tubi gliali” composti da astrociti (o cellule B), i quali sono anche in contatto con il lume dei vasi sanguigni, e, occasionalmente, con il lume dei ventricoli laterali. Oltre a questi due tipi cellulari troviamo anche cluster di precursori neurali in attiva proliferazione (o cellule C), e cellule ependimali (o cellule E), che formano uno strato di singole cellule tra la nicchia della SVZ e il lume dei ventricoli laterali. Il modello attuale prevede che le cellule B rappresentino la vera riserva staminale del cervello adulto, che durante la vita adulta mostrino caratteristiche di proliferazione tendenzialmente bassa e lenta, e che diano origine sia a cellule di tipo A che a cellule di tipo C, a seguito di divisione cellulare asimmetrica (o omeostatica). Le cellule C hanno la capacità di fluttuare tra una condizione transiente attivamente (e rapidamente) proliferante (transit-amplifying) e al contempo di poter procedere verso una differenziazione terminale in cellule A. Queste caratteristiche, descritte nel cervello adulto sano, mutano drammaticamente in corso di una patologia umana o indotta sperimentalmente in animali.

La conoscenza della biologia delle cellule staminali del cervello e, in parallelo, lo sviluppo di protocolli innovativi e sempre più consolidati per la loro caratterizzazione e coltivazione in larga scala in laboratorio, hanno ispirato nuove terapie cellulari per il trattamento di malattie del SNC caratterizzate da danno tissutale; sia malattie infiammatorie che portano a neurodegenerazione (ad esempio le ischemie o emorragie cerebrali, la sclerosi multipla e i traumi del SNC), che malattie neurodegenerative associate a infiammazione cronica (es. epilessie, malattia di Alzheimer, malattia di Parkinson e malattia di Huntington).

Il razionale dell’applicazione delle NSCs nelle malattie del SNC

I primissimi studi di trattamento con NSCs di malattie del SNC avevano lo scopo di stimolare e mobilizzare il compartimento endogeno di cellule staminali della nicchia della SVZ, così da favorire la riparazione del cervello. Gran parte di questi approcci preclinici, tuttavia, è risultata poco o per nulla efficace da un punto di vista terapeutico. L’idea era innovativa e potenzialmente interessante, ma la presenza di un microambiente infiammatorio, descritto sia in corso di patologie acute che croniche del SNC, limitava fortemente le possibilità di integrazione, differenziazione e migrazione delle NSCs endogene, residenti nella SVZ dei ventricoli cerebrali.

Poiché gran parte degli approcci sperimentali disegnati per mobilizzare/potenziale il compartimento endogeno di cellule staminali cerebrali non ha prodotto i risultati sperati, in parallelo abbiamo assistito allo sviluppo di numerosi studi preclinici che hanno analizzato invece il potenziale terapeutico del trapianto di NSCs in modelli animali di malattie infiammatorie (acute e croniche) del SNC. Grazie a questi studi preclinici sono state prodotte evidenze solide a supporto della rimarchevole capacità di migrazione e di integrazione delle NSCs trapiantate. Le NSCs trapiantate infatti hanno mostrato una notevole propensione a fare homing verso siti di danno tissutale/infiammazione e a mantenere caratteristiche di multipotenza all’interno di essi. L’obiettivo di questi primi studi era di osservare, in particolare, come le cellule trapiantate, una volta integrate nel tessuto danneggiato, dessero luogo a un attivo ricambio tissutale. Indipendentemente dalle caratteristiche del modello studiato, dal corso della malattia (acuta/cronica), dalle caratteristiche neuropatologiche (focale/multifocale) o dal tipo di infiammazione, il recupero funzionale osservato in seguito al trapianto di NSCs correla in maniera molto scarsa con il numero di cellule terminalmente differenziate derivanti dal trapianto. Sorprendentemente, l’effetto terapeutico osservato non deriva (esclusivamente) da meccanismi di intergazione e differenziazione da parte delle NSCs trapiantate dalle staminali. Gran parte degli effetti benefici del trapianto di NSCs – ascrivibili a quanto generalmente accettato come plasticita’ terapeutica – e’ da attribuire a molecule neurotrofiche, citochine e fattori di crescita (molecole ad azione paracrina) secrete dalle NSCs in vivo. Non e’ inoltre da escludere che meccanismi di cell-to-cell comunication alternativi o complementari alle molecole paracrine, e regolati di interazioni mediate da cell-to-cell contacts o secrezione di molecole hormon-like ad azione remota o anche secrezione di vescicole di membrana possano giocare un ruolo altrettanto importante nella regolazione sia dei meccanismi di plasticità/riparazione che nella modulazione delle risposte infiammatorie dell’host. 

1. Neuroprotezione tramite stimolazione della neurogenesi endogena

Uno dei primi effetti osservati in seguito al trapianto di NSCs è l’aumento della sopravvivenza e il recupero della funzione dei precursori staminali già presenti delle nicchie endogene. Questa osservazione è stata fatta soprattutto in modelli animali di ictus cerebrale ed è un effetto mediato dalle caratteristiche intrinseche dei precursori neuronali. In particolare, le cellule trapiantate sono state prima coltivate in vitro, dove sono state esposte per settimane ad alte quantità di fattori di crescita (quali EGF o FGF2). Questa procedura ha permesso di selezionare le cellule che più rispondevano a tali fattori in modo che, quando le cellule, dopo il trapianto, fossero state esposte a questi stessi fattori presenti anche nell’ambiente infiammatorio del tessuto danneggiato, esse rispondessero molto di più delle cellule staminali della nicchia endogena. La maggiore reattività delle NSCs selezionate in vitro porta al rilascio immediato e massivo di fattori trofici (quali GDNF, BDNF, CTNF e NGF) capaci di stimolare il differenziamento delle NSCs endogene e favorire il rimpiazzo delle cellule danneggiate. Non sorprende, quindi, che gli effetti maggiori riguardanti la stimolazione della neurogenesi endogena si abbiano quando queste cellule sono trapiantate localmente nel sito della lesione, come nell’ictus ischemico. In tal caso, infatti, c’è un accumulo di cellule in un ambiente ricco di fattori di crescita, da cui esse sono stimolate, e quindi una concentrazione locale di fattori di riparo e differenziamento.

2.      Immunomodulazione

Un altro aspetto, anche più sorprendente, osservato in seguito al trapianto delle NPCs è che esse, più che sostituire il tessuto danneggiato, riescono a modulare l’ambiente infiammatorio tramite il rilascio di citochine e chemochine e l’espressione di ligandi di membrana. Questi ultimi, ad esempio mediano l’apoptosi dell’infiltrato infiammatorio (FASL, TRAIL, APO3L), mentre tra le citochine vi sono le principali citochine anti-infiammatorie (IL-1beta IL-10 etc.). Nei modelli sperimentali l’espressione di tali molecole correla con una diminuzione dell’infiammazione misurabile con la riduzione della proliferazione, della reattività e dell’infiltrazione sia di linfociti T sia di macrofagi verso il sito della lesione. A livello periferico (ciò è più evidente nei modelli in cui il trapianto avviene in maniera sistemica), le cellule trapiantate sono state trovate negli organi linfoidi secondari come milza e linfonodi. Si ipotizza, perciò, che ci possa essere anche un meccanismo terapeutico aggiuntivo, cioè l’inibizione della maturazione delle cellule infiammatorie direttamente nel loro sito di maturazione e differenziamento. L’effetto immunomodulante (ossia di regolazione del sistema immunitario) sia a livello della lesione sia periferico è, in effetti, il principale razionale per l’applicazione terapeutica del trapianto di NSCs.

Problemi da affrontare per una reale applicazione terapeutica

•  La fonte ideale di cellule per il trapianto

Le staminali attualmente utilizzate nei modelli preclinici e in alcuni clinical trials di fase I sono cellule staminali embrionali e/o adulte. Le prime sono cellule pluripotenti derivate dalla blastocisti e differenziate verso la linea neuroectodermico, mentre le seconde sono cellule multipotenti ottenibili da tessuti embrionali, fetali o neonatali. Sebbene entrambe questi tipi cellulari presentano il vantaggio di essere espandibili in larga scala, il loro utilizzo implica la somministrazione di un regime immunosoppressivo a causa dell’origine allogenica, cioè non derivante dal paziente stesso, ma da un altro individuo.

Per risolvere il problema del trapianto allogenico l’approccio più recente e innovativo prevede la conversione diretta di cellule terminalmente differenziate (fibroblasti) derivabili direttamente dal paziente a staminali neuronali tramite un protocollo simile a quello usato da Yamanaka per ottenere cellule staminali pluripotenti (iPS), ma tralasciando lo stadio indifferenziato. Queste cellule sono chiamate staminali neuronali indotte (iNSCs) con approccio diretto. Sfortunatamente anche questa metodica presenta alcuni ostacoli: infatti, modificazioni genetiche ed epigenetiche possono permanere anche dopo diversi passaggi dalla conversione a cellula staminale. Le prime derivano soprattutto dal fatto che è necessario usare dei vettori retrovirali che devono integrarsi nel genoma e a seconda del luogo dell’inserzione possono dare problemi mentre le seconde dal permanere di una memoria epigenetica della cellule di origine. Per questi motivi, per quanto questa fonte rappresenti una delle più valide, sono a oggi necessari ulteriori studi di sicurezza per l'utilizzo in terapia. 

• Le vie di somministrazione

Oltre a individuare la fonte ideale, è necessario definire la più efficace via di somministrazione per ottimizzare gli effetti terapeutici. La presenza di lesioni multifocali, come si riscontrano, per esempio, nella sclerosi multipla, rende infatti poco realistica l’attuazione di iniezioni dirette nei singoli siti di danno.

Diversi studi suggeriscono che l’iniezione locale (intracerebrale o intraventricolare) di NSCs abbia un effetto più rilevante sulla neurogenesi endogena, perché permette a un maggior numero di cellule di raggiungere la lesione e promuovere la secrezione di alte concentrazioni di fattori neurogenici in maniera localizzata. Il successo del trapianto focale è, quindi, inevitabilmente correlato alla quantità di cellule trapiantate che sopravvive in prossimità della lesione. È stato inoltre dimostrato che il maggior determinante della sopravvivenza delle NSCs è la finestra temporale di somministrazione: una più ampia sopravvivenza cellulare si otterrebbe prima che le cellule della microglia siano state completamente attivate dai fenomeni di infiammazione locale.

Per quanto riguarda la somministrazione intravenosa, i primi dati relativi alla capacità delle NSCs di raggiungere il sito di lesione sono stati ottenuti in modelli animali (topi e ratti) di glioblastoma (un tumore cerebrale). Le NSCs trapiantate endovena sono in grado di raggiungere la massa tumorale collocata all’interno del cervello. La capacità delle NSCs di superare la barriera emato-encefalica e accumularsi all’interno del SNC (un processo definito homing) è dovuto al fatto che in corso di patologia (come del caso del glioblastoma) la barriera ematoencefalica risulta attivata, uno stato funzionale delle cellule endoteliali che ne fanno parte e che corrisponde ad alti livelli di espressione di controligandi di molecole di adesione, e giunzioni cellulari lasse. Pertanto una barriera ematoencefalica attivata risulta più permeabile a molecole, particelle, e cellule. Tuttavia l’iniezione endovenosa di cellule o composti non può prescindere da una parte importante di homing aspecifico (ossia non SNC), di solito verso organi periferici che fungono da filtro, quali il fegato e il rene. Nonostante la frazione di NSCs iniettate endovena in grado di raggiungere il SNC sia molto piccola, dati recenti suggeriscono che l’iniezione intravenosa di NSCs è capace di promuovere la sopravvivenza neuronale e della glia per tempi maggiori rispetto alla iniezione intracerebrale in modelli di ictus ischemico. Gran parte degli effetti terapeutici sembrano essere attribuibili alla frazione di NSCs che fanno homing al di fuori del cervello.

Questa via di somministrazione porta all’accumulo di NSCs a livello di organi periferici a funzione immunomodulante, quali la milza e gli organi linfoidi secondari. In queste sedi non proprio tipiche di homing da parte di NSCs trapiantate, assistiamo alla formazione di nicchie perivascolari, strutturalmente e funzionalmente simili a strutture in precedenza osservate nel SNC, dove le cellule trapiantate sopravvivono anche per lunghi periodi (fino a due mesi dopo il trapianto), interagiscono con le cellule immunitarie residenti (cellule dendritiche, macrofagi e linfociti), e verosimilmente svolgono gran parte del loro effetto terapeutico immunomodulante. Tale interazione porta alla modulazione della risposta infiammatoria e quindi a un miglioramento funzionale.

La via di somministrazione delle NSCs non influenza il fenotipo delle cellule che si accumulano al livello della lesione. Che siano trapiantate sistemicamente oppure localmente, le NSCs mantengono un profilo di caratteristiche simile a quello osservato in vitro prima del trapianto. L’effetto terapeutico sembra quindi essere, almeno in un primo momento, indipendente dalla differenziazione e perlopiù connesso a vari meccanismi bystander (es. neuroprotezione, immunomodulazione locale e periferica), che cioè influenzano positivamente l’ambiente circostante il sito di lesione.

Sebbene entrambi i tipi di somministrazione mostrino un miglioramento dal punto di vista neurologico, gli effetti benefici derivano da meccanismi d’azione ben differenti. Nel valutare, tra queste metodiche, quale possa più facilmente essere utilizzata nella pratica clinica, è importante sottolineare la difficoltà di effettuare una procedura chirurgica cosi invasiva come un’iniezione intracerebroventricolare in un paziente affetto da un determinato stato clinico come potrebbe essere ad esempio l’ictus. Per questo motivo il trapianto sistemico sembrerebbe un ottima alternativa in vista del suo effetto anti-infiammatorio, di promozione del rimodellamento cerebrale e del recupero funzionale osservato nel modello di malattia nel topo. 

I clinical trials attualmente in esecuzione

Gli incoraggianti risultati ottenuti da studi preclinici di malattie neurologiche fatali e incurabili con un alto rapporto rischio/beneficio, hanno permesso lo sviluppo di clinical trials di fase I/II.

 Progettare uno studio clinico che utilizzi le cellule staminali, tuttavia, non comporta soltanto la necessità di porre estrema attenzione alla caratterizzazione e produzione di una nuova terapia medica, ma evidenzia, anche e soprattutto, la difficoltà di definire i cosiddetti end-points, cioè i punti di riferimento che dovranno essere valutati per determinare il successo o il fallimento dell’applicazione. La natura infiammatoria e degenerativa delle patologie prese in considerazione rende tale individuazione particolarmente difficoltosa, in quanto vi è una certa complessità nello stimarne la progressione, senza dimenticare, poi, l'attuale mancanza di marker specifici di malattia.

Per questo motivo lo scopo principale degli studi di fase I che impiegano staminali neuronali umane è, prima ancora di verificare l'efficacia, chiarire se il protocollo di trapianto di tali cellule sia fattibile e sicuro, valutando la massima dose tollerabile e il limite oltre il quale, potenzialmente, si rischia di indurre tossicità. Durante la ricerca, generalmente, sono raccolti anche dati che possano aiutare a comprendere meglio il destino delle cellule trapiantate, come la loro distribuzione, sopravvivenza e possibile immunogenicità. 

Questi studi pilota giocano un ruolo chiave per i trattamenti mediante staminali delle malattie infiammatorie del SNC, perché possiedono un grande potenziale che va oltre la semplice interpretazione dei risultati specifici per ciascuna malattia. Una volta che la sicurezza per l'uomo sarà confermata, saranno introdotti sia trial di fase II a dosi incrementali, sia l'inclusione di malattie non fatali che riguardano fasce più ampie di popolazione. Gli studi di fase II, in più, includeranno anche obiettivi clinici quantificabili (ad esempio il passaggio ad un diverso grado di disabilità),   misurando, ad esempio, un eventuale miglioramento della qualità di vita dei pazienti. 

Conclusioni

L’aumento delle conoscenze riguardanti la biologia delle staminali ha portato negli ultimi anni non solo a una globale riconsiderazione dei meccanismi d’azione e degli effetti terapeutici, ma ha favorito anche una maggiore consapevolezza dei limiti ancora presenti da superare.

L’utilizzo di modelli animali che hanno caratteristiche molto simili a diversi aspetti delle patologie umane ha contribuito ad aumentare la nostra percezione delle difficoltà tecniche e biologiche che devono essere affrontate, prima di vedere una possibile applicazione clinica dei trapianti di NSCs.

Le NSCs non solo supportano le cellule nervose nella sostituzione funzionale ma presentano anche un effetto trofico e un’influenza modulatoria sul sistema immune, confermate entrambe da esperimenti in vitro e in vivo [8].

Per questa ragione potrebbero essere viste come un microsistema dinamico, capace di adattarsi e comunicare attivamente con l’ambiente circostante. A supporto vi è la loro peculiare capacità di percepire l’ambiente circostante per raggiungere in modo specifico il sito della lesione [8]. Questa caratteristica è di estrema importanza considerando malattie multifocali, dove l’iniezione in situ non è facilmente praticabile.

Prima di introdurre il trattamento con cellule staminali su larga scala all’interno della pratica clinica, è però, necessario confrontarsi con alcune inevitabili questioni. Innanzitutto, la differenza biologica e funzionale presente tra i modelli sperimentali (topo, in particolare) e l’uomo. Questa potrebbe spiegare, in parte, i fallimenti riscontrati finora, laddove incoraggianti dati preclinici non sono stati poi tradotti in altrettanti risultati clinici. Per questo, un’accurata scelta dei modelli animali e il passaggio intermedio di studi condotti su primati è ancora di vitale importanza. In secondo luogo, è necessario stabilire linee guida comuni per definire precisamente l’applicazione delle strategie terapeutiche: la massima dose tollerata; le manipolazioni (cioè i trattamenti effettuati sulle cellule prima dell’iniezione); la finestra terapeutica; la più appropriata metodica di trapianto; le condizioni standard per la produzione industriale. Sono tutte questioni che la comunità scientifica deve affrontare con alta priorità per garantire l’uniformità dei risultati ottenuti.

I successivi ostacoli da superare saranno comprendere le dinamiche dell’interazione ospite/trapianto host-graft/graft-host e la necessità di sviluppare specifici markers che possano aiutarci nel quantificare gli effetti chiave della terapia, che includono (e non solo) la sopravvivenza, la distribuzione e la differenziazione/integrazione delle cellule trapiantate.

Da quanto esposto è possibile prevedere che la recente, maggiore comprensione dell’azione immunomodulante delle cellule staminali potrebbe efficacemente affermare lo sviluppo di terapie più idonee alle malattie neurologiche.

L'AUTORE - Stefano Pluchino

Siciliano di Ragusa, ha 43 anni e vive a Cambridge (UK). Si è laureato in Medicina e Chirurgia a Siena nel 1995. Nel 1998, ancora a Siena, si specializza in Neurologia. Nel 2004 è dottore di ricerca in Neuroscienze. Dal 2005 al 2010 dirige l’Unità di Riparazione del Sistema Nervoso presso l’Istituto di Neurologia Sperimentale (INSPE) del DIBIT-Istituto Scientifico San Raffaele di Milano. È autore di numerose pubblicazioni e riconoscimenti a livello nazionale e internazionale. Tra i riconoscimenti più prestigiosi, nel 2006 è vincitore del Serono Foundation Multiple Sclerosis Award, nel 2007 l’Associazione Italiana Sclerosi Multipla gli conferisce il Premio Rita Levi-Montalcini per i suoi studi sui principali meccanismi di plasticità terapeutica delle cellule staminali neurali nella sclerosi multipla sperimentale, nel 2010 vince il Premio Giovani Ricercatori del Ministero della Salute e il Starting Independent Researcher Award del consiglio Europeo della Ricerca (ERC), nel 2011 è destinatario dell’11th Royan International Research Award.
Dal 2010 è Lecturer in Brain Repair presso il Cambridge Centre for Brain Repair e presso lo Stem Cell Institute dell’Università di Cambridge (UK). È inoltre Adjunct Associate Professor di Neurologia presso College of Medicine dell’Università del Vermont, Burlington, USA (dal 2008) e Adjiunct Associate Professor di Neuroscienze Cellulari e Molecolari presso l’Università Vita-Salute San Raffaele di Milano (2005-213). Nel 2014 ha ricevuto l’Abilitazione Nazionale da parte del Ministero della Istruzione, Università e Ricerca a Professore di Prima Fascia in Biologia Applicata (05/F1) e Neurologia (06/D6).
Tra i progetti di punta del suo laboratorio, lo studio delle interazioni tra cellule staminali e microambiente in corso di malattie sperimentali del sistema nervoso, e lo sviluppo di terapie innovative con cellule staminali e nanomedicine per il trattamento di malattie neurologiche invalidanti come la sclerosi multipla, le ischemie cerebrali e i traumi cerebrali e spinali.