Identificate le cellule staminali che danno origine a ossa e cartilagine nell’uomo

Uno sforzo decennale condotto dagli scienziati della Stanford University School of Medicine è stato premiato con l’identificazione della cellula staminale scheletrica umana.
La cellula, che può essere isolata dall’osso umano o generata da cellule specializzate nel grasso, dà origine a cellule progenitrici che possono creare nuovo osso, lo stroma spugnoso dell’interno dell’osso e la cartilagine che aiuta le nostre ginocchia e le altre articolazioni a funzionare senza intoppi e senza dolore .
La scoperta ha permesso ai ricercatori di creare una specie di albero genealogico di cellule staminali importante per lo sviluppo e il mantenimento dello scheletro umano. Potrebbe anche aprire la strada a trattamenti per rigenerare ossa e cartilagini nelle persone.
“Ogni giorno, bambini e adulti hanno bisogno di tessuto osseo, cartilagine e stromale normale”, ha detto Michael Longaker, professore di chirurgia plastica e ricostruttiva. “Ci sono 75 milioni di americani con artrite, per esempio. Immaginate se potessimo trasformare cellule grasse facilmente disponibili dalla liposuzione in cellule staminali che potrebbero essere iniettate nelle loro articolazioni per creare nuova cartilagine, o se potremmo stimolare la formazione di nuovo osso per riparare le fratture nelle persone anziane.”
Un articolo che descrive il ritrovamento, che segue la scoperta dello stesso gruppo di cellule staminali scheletriche del mouse nel 2015, è stato pubblicato online il 20 settembre in Cell.
Longaker, Deane P. e Louise Mitchell, professore alla School of Medicine e co-direttore dell’Istituto Stanford per la biologia delle cellule staminali e la medicina rigenerativa, è l’autore senior. Gli autori principali sono Charles K.F. Chan, assistente professore di chirurgia; studente di medicina Gunsagar Gulati; Rahul Sinha, istruttore di biologia delle cellule staminali e medicina rigenerativa; e assistente di ricerca Justin Vincent Tompkins.
Le cellule staminali scheletriche sono distinte da un altro tipo di cellule chiamate cellule staminali mesenchimali, che possono generare tessuti, grasso e muscoli scheletrici. Le cellule staminali mesenchimali, che possono essere isolate dal sangue, dal midollo osseo o dal grasso, sono considerate da alcuni clinici come cellule staminali polivalenti. Sono stati testati, con scarso successo, in studi clinici e come trattamenti sperimentali non provati per la loro capacità di rigenerare una varietà di tessuti. Recentemente, tre pazienti anziani in Florida sono stati accecati o hanno perso gran parte della vista dopo che le cellule staminali mesenchimali da grasso sono state iniettate nei loro occhi come trattamento sperimentale per la degenerazione maculare.
“Le cellule staminali mesenchimali sono vagamente caratterizzate e probabilmente includono molte popolazioni di cellule, ognuna delle quali può rispondere in modo diverso e imprevedibile ai segnali di differenziazione”, ha detto Chan. “Al contrario, la cellula staminale scheletrica che abbiamo identificato possiede tutte le qualità tipiche di cellule staminali vere, multipotenti, auto-rinnovanti, specifiche del tessuto. Sono limitati dal punto di vista del loro destino potenziale solo per i tessuti scheletrici, il che probabilmente li renderà molto più clinicamente utili. ”
La rigenerazione scheletrica è una capacità importante per qualsiasi animale osseo che si evolve in un mondo ruvido e in cui solo il più in forma, o la guarigione più rapida, rischiano di sopravvivere molto a lungo nell’età adulta. Alcuni vertebrati, come i tritoni, sono in grado di rigenerare interi arti se necessario, ma la capacità di guarigione di altri animali, come topi e umani, è più modesta. Sebbene gli umani possano di solito guarire abbastanza bene una frattura ossea, iniziano a perdere parte di questa capacità con l’età. E sono completamente incapaci di rigenerare la cartilagine che si consuma con l’età o con l’uso ripetitivo. I ricercatori si sono chiesti se la cellula staminale scheletrica potesse essere utilizzata clinicamente per sostituire l’osso o la cartilagine danneggiati o mancanti, ma è stato molto difficile identificarli.
A differenza delle cellule staminali embrionali, che sono presenti solo nelle prime fasi dello sviluppo, si ritiene che le cellule staminali adulte siano presenti in tutti i principali tipi di tessuto, dove aspettano il loro tempo fino a quando non sono necessari per riparare danni o traumi. Ogni cellula staminale adulta è limitata al lignaggio – cioè, rende le cellule progenitrici che danno origine solo ai tipi di cellule che si trovano naturalmente in quel tessuto. Per il nostro scheletro, ciò significa cellule che formano ossa, cartilagine e stroma.
Chan, Longaker e i suoi colleghi avevano sperato di utilizzare ciò che avevano imparato dall’identificazione della cellula staminale scheletrica del topo per isolare rapidamente la sua controparte umana. Ma la ricerca si rivelò più difficile di quanto avessero previsto. La maggior parte degli sforzi di isolamento cellulare si concentrano sull’utilizzo di una tecnologia chiamata separazione cellulare attivata dalla fluorescenza per separare le cellule in base all’espressione delle proteine ​​sulla loro superficie. Spesso, tipi di cellule simili provenienti da specie diverse condividono alcuni marcatori di superficie delle cellule chiave.
Ma la cellula staminale scheletrica umana si è rivelata per condividere alcuni marcatori con la sua controparte di topo. Invece, i ricercatori hanno dovuto confrontare i profili di espressione genica delle cellule staminali scheletriche del topo con quelli di diversi tipi di cellule umane trovati all’estremità in crescita dell’osso umano in via di sviluppo. Così facendo, sono stati in grado di identificare una popolazione cellulare che produceva molte delle stesse proteine ​​della cellula staminale scheletrica del topo. Hanno poi lavorato a ritroso per identificare i marcatori sulla superficie delle cellule umane che potevano essere utilizzati per isolarli e studiarli come una popolazione pura.
“Questa è stata una sfida piuttosto bioinformatica, e ha richiesto una grande squadra di ricercatori interdisciplinari, ma alla fine Chuck ei suoi colleghi sono stati in grado di identificare una serie di marcatori che ritenevamo avere un grande potenziale”, ha detto Longaker. “Allora hanno dovuto provare due cose: queste cellule possono auto-rinnovarsi o rendersi più indefinitamente, e possono fare i tre lignaggi principali che comprendono lo scheletro umano?”
I ricercatori hanno dimostrato che la cellula staminale scheletrica umana che hanno identificato è sia auto-rinnovante che capace di produrre progenitori di osso, cartilagine e stroma. Si trova alla fine dello sviluppo dell’osso, così come in un numero maggiore vicino al sito di fratture di guarigione. Non solo può essere isolato dai siti di frattura, ma può anche essere generato riprogrammando le cellule di grasso umano o le cellule staminali pluripotenti indotte per assumere un destino scheletrico.
Curiosamente, la cellula staminale scheletrica ha anche fornito un ambiente favorevole alla crescita delle cellule staminali ematopoietiche umane – o delle cellule nel nostro midollo osseo che danno origine al nostro sangue e al sistema immunitario – senza la necessità di ulteriori fattori di crescita trovati nel siero.
“Le cellule staminali che formano il sangue amano l’interno dell’osso spugnoso”, ha detto Chan. “È la nicchia perfetta per loro. Abbiamo scoperto che la popolazione stromale che emerge dalle cellule staminali scheletriche può mantenere vive le cellule staminali ematopoietiche per due settimane senza siero”.
Studiando il potenziale di differenziazione delle cellule staminali scheletriche umane, i ricercatori sono stati in grado di costruire un albero genealogico di cellule staminali per servire da base per ulteriori studi su potenziali applicazioni cliniche. Comprendere le somiglianze e le differenze tra il topo e la cellula staminale scheletrica umana può anche svelare misteri sulla formazione scheletrica e le proprietà intrinseche che differenziano il topo e gli scheletri umani.
“Ora possiamo cominciare a capire perché l’osso umano è più denso di quello dei topi, o perché le ossa umane crescono tanto più grandi”, ha detto Longaker.
In particolare, i ricercatori hanno scoperto che la cellula staminale scheletrica umana esprime geni attivi nella via di segnalazione Wnt nota per modulare la formazione ossea, mentre la cellula staminale scheletrica del mouse non lo fa.
L’obiettivo finale dei ricercatori, tuttavia, è trovare un modo per utilizzare la cellula staminale scheletrica umana nella clinica. Longaker immagina un futuro in cui l’artroscopia – una procedura minimamente invasiva in cui una piccola telecamera o strumenti chirurgici, o entrambi, sono inseriti in un’articolazione per visualizzare e trattare la cartilagine danneggiata – potrebbe includere l’iniezione di una cellula staminale scheletrica specificamente limitata a generare nuovi cartilagine, per esempio.
“Spero che, entro i prossimi dieci anni, questa fonte cellulare cambierà le regole nel campo della medicina artroscopica e rigenerativa”, ha detto Longaker. “Gli Stati Uniti hanno una popolazione che invecchia rapidamente e che subisce quasi 2 milioni di sostituzioni congiunte ogni anno. Se possiamo usare questa cellula staminale per terapie relativamente non invasive, potrebbe essere un sogno che si avvera”.