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Cellule staminali mesenchimali: dalle radici al potenziamento

Già mezzo secolo fa è stato dimostrato che il midollo osseo è una fonte non solo di cellule staminali ematopoietiche, ma anche di cellule staminali dei tessuti mesenchimali. Quindi il termine “cellule staminali mesenchimali” (MSC) è stato coniato all’inizio degli anni ’90 e, più di un decennio dopo, i criteri per la definizione di MSC sono stati rilasciati dalla International Society for Cellular Therapy.

 La facile derivazione da una varietà di tessuti fetali e adulti e condizioni di coltura cellulare non impegnative hanno reso le MSC un interessante oggetto di ricerca. C’è stata una valanga di rapporti da studi preclinici sulle proprietà potenzialmente terapeutiche delle MSC, come l’immunomodulazione, il supporto trofico e la capacità di una differenziazione spontanea in cellule del tessuto connettivo e la differenziazione nella maggior parte dei tipi di cellule in condizioni induttive specifiche. Sebbene l’ontogenesi e l’eterogeneità delle MSC sono ancora oggetto di indagine, c’è un rapido aumento dei tentativi di applicazioni cliniche delle MSC, specialmente per un’ondata di condizioni guidate da una società che invecchia così rapidamente, non solo nei paesi sviluppati, ma anche nei popolosi paesi in via di sviluppo.

I campi della medicina rigenerativa e dell’oncologia affrontano ampiamente le applicazioni delle MSC, in parte a causa della scarsità di opzioni terapeutiche tradizionali per queste condizioni altamente impegnative e costose. Attualmente ci sono quasi 1.000 studi clinici registrati in tutto il mondo e sembra che stiamo iniziando a testimoniare l’effetto valanga delle MSC che stanno diventando una potente industria globale; tuttavia, gli effetti spettacolari delle MSC nella clinica devono ancora essere mostrati. 

La ricerca sulle cellule staminali del tessuto connettivo derivate dal midollo osseo è in evoluzione e in continua espansione con un recente aumento di interesse per le applicazioni cliniche, interesse riflesso da una valanga di quasi 1.000 studi clinici registrati. Sebbene l’attuale nome “cellule staminali mesenchimali” sia stato coniato all’inizio degli anni ’90, è importante commemorare il 50 ° anniversario della ricerca su di esse e fornire un quadro generale dalle radici storiche del primo articolo nel 1968 attraverso l’identificazione del loro varie potenziali attività terapeutiche, come immunomodulazione, supporto trofico e capacità di differenziazione e ruolo nelle strategie di sostituzione cellulare.

Friedenstein è stato uno dei pionieri della teoria secondo cui il midollo osseo è un serbatoio di cellule staminali dei tessuti mesenchimali negli organismi adulti. Questa teoria si basa su sua osservazione nel corso del 1960 e 1970 dei risultati del trapianto ectopico di midollo osseo non solo nella proliferazione delle cellule del midollo osseo, ma anche nella formazione di osso. Questi risultati indicavano l’esistenza nel midollo osseo di una seconda popolazione di cellule staminali, oltre alle cellule ematopoietiche, che danno origine a precursori ossei. A causa della capacità di queste cellule di creare osteoblasti, Friedenstein ha dato loro il nome di cellule staminali osteogeniche. Friedenstein è stato anche il primo a isolare cellule simili ai fibroblasti aderenti al midollo osseo con la capacità di crescere rapidamente in vitro sotto forma di colonie clonogeniche (unità che formano colonie fibroblasti [CFU-F]). Queste cellule derivate da colonie CFU ‐ F erano caratterizzate dalla capacità di differenziare in vitro non solo gli osteociti, ma anche i condrociti e gli adipociti. Dopo il trapianto di colonie CFU ‐ F nel ricevente, queste erano in grado di coformare il microambiente del midollo osseo.

Il termine “cellule staminali mesenchimali” è stato proposto da Caplan nel 1991 per la loro capacità di differenziarsi in più di un tipo di cellule che formano il tessuto connettivo in molti organi. Questo nome è diventato molto popolare ed è attualmente il più comunemente usato, anche se ha sollevato dubbi sul grado della loro radice. Oggi, ci sono molti sostituti in letteratura per l’abbreviazione di MSC, comprese cellule stromali multipotenti, cellule stromali del midollo, cellule staminali mesodermiche, cellule stromali mesenchimali e molti altri. Caplan, nel suo ultimo lavoro, raccomanda di rinominare queste cellule in “Medicinal Signaling Cells” per l’enfasi sul meccanismo dei loro effetti terapeutici dopo il trapianto, che si ritiene sia basato principalmente sulla secrezione di fattori che facilitano i processi rigenerativi.

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Immagine: Credit Stem Cells

Eterogeneità delle popolazioni MSC

Sebbene le cellule che soddisfano i criteri per le MSC possano essere raccolte da vari tessuti in tutti gli stadi di sviluppo (fetale, giovane, adulto e invecchiato) utilizzando la loro proprietà di aderenza plastica, ci sono profonde differenze tra le popolazioni MSC ottenute. Il midollo osseo è stata storicamente la prima fonte da cui sono state ottenute le MSC; tuttavia, nel tempo, ci sono state segnalazioni della possibilità di isolamento da altre fonti di cellule con proprietà simili. Le cellule mesenchimali sono ottenute sia dai tessuti che dalle secrezioni del corpo adulto, come il tessuto adiposo, il sangue periferico, la polpa dentale, il legamento giallo, il sangue mestruale, l’endometrio, il latte delle madri, nonché i tessuti fetali come il liquido amniotico, le membrane, le membrane coriali. villi, placenta, cordone ombelicale, Wharton gelatina e sangue del cordone ombelicale. Le MSC di origine fetale rispetto alle cellule isolate dai tessuti di organismi adulti sono caratterizzate da un più rapido tasso di proliferazione e da un maggior numero di passaggi in vitro fino alla senescenza. Tuttavia, le MSC derivate dal midollo osseo e dal tessuto adiposo sono in grado di creare un numero maggiore di colonie CFU-F, il che indica indirettamente un grado più elevato della loro staminali. Il confronto dell’espressione genica tipica delle cellule pluripotenti mostra che solo nelle cellule isolate dal midollo osseo possiamo osservare l’espressione del gene Sox2, la cui attivazione è associata sia al processo di auto rinnovamento delle cellule staminali che alla neurogenesi durante lo sviluppo embrionale. Sono state anche descritte discrepanze nella capacità di differenziare delle MSC ottenute da varie fonti. È stata osservata la mancanza di differenziazione delle MSC derivate dal sangue del cordone ombelicale verso gli adipociti, nonché la maggiore tendenza delle MSC dal midollo osseo e dal tessuto adiposo a differenziarsi verso gli osteoblasti.

Oltre alla diversità osservata tra le MSC da diverse fonti, ci sono anche differenze associate al loro ottenimento da singoli donatori. Tra le cellule isolate dal midollo osseo da donatori di età e sesso diversi, sono state trovate differenze fino a 12 volte nel tasso di proliferazione e osteogenesi combinate con una differenza di 40 volte nel livello di attività del marker di rimodellamento osseo – ALP. Allo stesso tempo, non sono state riscontrate correlazioni derivanti dalle differenze di sesso o età dei donatori. Tuttavia, i risultati di studi di altri autori indicano che le proprietà delle MSC isolate dal midollo osseo sono fortemente associate all’età del donatore. Le cellule raccolte da donatori più anziani sono caratterizzate da una maggiore percentuale di cellule apoptotiche e da un tasso di proliferazione più lento, associato a un aumento del tempo di raddoppio della popolazione. Esiste anche una ridotta capacità delle MSC dei donatori più anziani di differenziarsi verso gli osteoblasti. Heo, nel suo lavoro, mostra la diversa capacità delle MSC di osteogenesi combinandola con diversi livelli di espressione genica DLX5 (fattore di trascrizione con motivo omeodominio 5) in singoli donatori, comunque indipendenti dal tipo di tessuto da cui le cellule sono state isolate.

La fase successiva in cui possiamo osservare la diversità tra la popolazione di MSC è la cultura in vitro. La morfologia delle cellule coltivate che provengono dallo stesso isolamento consente la differenziazione in tre sottopopolazioni. Sono state osservate cellule proliferanti a forma di fuso simili a fibroblasti (tipo I); cellule grandi e piatte con una struttura del citoscheletro chiaramente marcata contenente un numero di granuli (tipo II) e cellule piccole e rotonde con elevata capacità di autorinnovamento. L’ipotesi originale ipotizzava che tutte le cellule che compongono la popolazione di MSC siano multipotenti e ogni colonia di CFU sia in grado di differenziarsi in adipociti, condrociti e osteoblasti, come confermato da studi appropriati. Tuttavia, in letteratura, possiamo trovare rapporti che le linee cellulari derivate da una comune colonia di CFU-F differiscono nelle loro proprietà, caratterizzate da unipotenza, dipotenza o multipotenza. Alcuni degli autori hanno mostrato la divisione delle colonie di MSC clonogeniche in otto gruppi distinti nel loro potenziale di differenziazione. Allo stesso tempo, si suggerisce che esista una gerarchia all’interno della quale le cellule subordinate l’una all’altra sono sempre più dirette verso osteociti, condrociti o adipociti e perdono gradualmente le loro proprietà multipotenziali a quelle dipotenziali e unipotenziali. Questa trasformazione può anche essere associata a una diminuzione del tasso di proliferazione cellulare e del livello di espressione della proteina CD146, proposta come marker di multipotenza.

Proprietà immunomodulatorie delle MSC

Uno dei principali vantaggi delle MSC sono le loro proprietà immunomodulatorie. Le MSC coltivate in vitro hanno la capacità di interagire e regolare la funzione della maggior parte delle cellule effettrici coinvolte nei processi di risposta immunitaria primaria e acquisita. Esercitano i loro effetti immunomodulatori inibendo gli effetti mediati dal complemento della proliferazione di cellule mononucleate del sangue periferico, bloccando l’apoptosi dei neutrofili nativi e attivati, oltre a ridurre il numero di neutrofili che si legano alle cellule endoteliali vascolari, limitando la mobilizzazione di queste cellule nell’area danneggiata. Inoltre, le citochine sintetizzate dalle MSC attivate stimolano la chemiotassi dei neutrofili e la secrezione di chemochine pro-infiammatorie coinvolte nel reclutamento e nella stimolazione delle proprietà dei macrofagi fagocitici. Ed ancora, le MSC limitano la degranulazione dei mastociti, la secrezione di citochine pro-infiammatorie da parte di queste cellule, nonché la loro migrazione verso i fattori chemiotattici. Le MSC native hanno la capacità di bloccare la proliferazione delle cellule NK indotte de novo, ma sono solo in grado di inibire parzialmente la proliferazione di cellule già attivate. Contribuiscono inoltre alla riduzione dell’attività citotossica delle cellule NK 56. Inoltre, le MSC possono bloccare la differenziazione delle cellule CD34 + isolate dal midollo osseo o dai monociti del sangue in cellule dendritiche mature sia per contatto diretto che per fattori paracrini secreti. Inibiscono la trasformazione delle cellule dendritiche immature in forme mature e limitano la mobilizzazione delle cellule dendritiche ai tessuti. Sotto la loro influenza, i macrofagi M1 (pro-infiammatori) vengono trasformati in cellule di tipo M2 con un fenotipo antinfiammatorio e l’interleuchina (IL) ‐10 da essi secreta inibisce la proliferazione delle cellule T . Studi in vitro hanno dimostrato un effetto immunomodulatore diretto delle MSC sui linfociti. Durante la co-coltura di MSC con linfociti, è stata osservata la soppressione delle cellule T CD4 + e CD8 + attivate e dei linfociti. Inoltre, le MSC riducono il livello di citochine pro-infiammatorie sintetizzate dai linfociti T, come il fattore di necrosi tumorale (TNF) ‐α e l’interferone (IFN) ‐γ, e aumentano la sintesi di citochine anti-infiammatorie, ad esempio IL ‐4. In presenza di MSC, è stata osservata l’inibizione della differenziazione dei linfociti T CD4 + naive in linfociti T helper (Th) 17+, mentre la percentuale di cellule T che si differenziano verso le cellule T regolatorie CD4 + CD25 + è aumentata. Glennie et al. ha descritto questa condizione come anergia dei linfociti T attivati ​​in presenza di MSC . Le MSC hanno anche la capacità di limitare la sintesi di immunoglobuline come le classi di immunoglobuline (Ig) M, IgG e IgA secrete dai linfociti B attivati, bloccando così la differenziazione di queste cellule in plasmacellule. Riducono anche l’espressione delle chemochine e dei loro recettori sulla superficie dei linfociti B, che probabilmente hanno un effetto negativo sulla loro capacità di migrare .

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figura 2 : la rappresentazione schematica delle capacità immunomodulatorie delle cellule staminali mesenchimali.
È passato più di mezzo secolo da quando è emersa la curiosità che non solo le cellule ematopoietiche, ma anche quelle capaci di formare tessuto connettivo risiedono nel midollo osseo. Studi successivi hanno iniziato a rivelare le proprietà sempre più affascinanti di queste cellule, che vanno ben oltre la formazione del tessuto connettivo. Questo, unito alla loro facile derivazione da vari tessuti, le ha rese un interessante oggetto di ricerca. Le proprietà immunomodulatorie, il supporto alla riparazione di vari tessuti e il potenziale di differenziazione per praticamente qualsiasi tipo di cellula hanno sbalordito tutta una serie di scienziati e hanno stabilito le MSC come forza trainante della medicina rigenerativa e hanno anche iniziato a svolgere un ruolo sempre più importante in oncologia. Attualmente stiamo osservando una marea di studi clinici con l’uso di MSC e il loro numero raddoppia ogni pochi anni e attualmente raggiunge quasi 1.000 voci registrate sul sito Web ClinicalTrials.gov.
Le MSC compongono una frazione trascurabile di cellule derivate da tessuti in vivo e non esiste un metodo efficace per catturarle direttamente. Pertanto, le MSC devono essere sottoposte al processo di espansione in vitro, che nel contesto clinico è chiamato biomanufacturing e biobanking, ed entrambi i termini sono spesso usati in modo intercambiabile per descrivere il processo dall’acquisizione della fonte cellulare alla consegna delle cellule ai pazienti. comodino. Il trattamento delle MSC deve essere eseguito secondo le attuali buone pratiche di fabbricazione come qualsiasi altro agente terapeutico ed è soggetto a un ampio sforzo normativo. La Food and Drug Administration (FDA) è la principale autorità responsabile dell’accettazione dei prodotti medici, compresi quelli contenenti cellule viventi come le MSC negli Stati Uniti. 

Riassumendo, sembra che le MSC stiano diventando una potente industria globale, pronta a rispondere ai bisogni insoddisfatti della medicina moderna alle prese con la cura adeguata e la qualità della vita delle società in rapido invecchiamento, che sta già interessando non solo i paesi sviluppati, ma anche paesi in via di sviluppo molto popolosi. In conclusione, stiamo iniziando ad osservare l’effetto della palla di neve in cui sempre nuove scoperte legate alle MSC stanno stimolando sempre più le applicazioni cliniche della MSC, che stanno cominciando a contribuire alla trasformazione dell’assistenza medica.

Ringraziamenti

Questo lavoro è stato sostenuto da NCR & D grant EXPLORE ME nell’ambito del programma “STRATEGMED I” e dal National Institutes of Health (NIH) R01 NS091100‐01A1.

Fonte: Stem Cells

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