Cellule staminali e diabete di tipo 1

Le cellule staminali, aspetti generali e loro impiego nel diabete di tipo 1

Alessio Trevisani¹, Claudia Guaraldi², Demetrio Costantino^3
1Sorgente srl, Milano; ^2Ospedale di Valdagno (VI); ³Azienda USL Ferrara

Introduzione
Ad oggi le cellule staminali si confermano sempre più come strumento di grande importanza per il trattamento di diverse patologie. Tra le patologie per le quali è allo studio un trattamento basato sull’impiego di cellule staminali vi è anche il diabete di tipo 1, una patologia che colpisce circa 70 mila bambini ogni anno. Prima di addentrarsi nei dettagli delle ricerche che hanno lo scopo di individuare trattamenti efficaci per il diabete, sarà però necessario affrontare i concetti di base, la definizione di cellule staminali e la
classificazione delle staminali in embrionali, cordonali e adulte.

1a. Le cellule staminali: definizione
Le cellule staminali sono cellule indifferenziate, in grado di auto-rinnovarsi e di originare virtualmente qualsiasi organo o tessuto [1].

1b. Tipi di cellule staminali
A seconda di dove si trovano all’interno dell’organismo le cellule staminali sono classificate come:

• Cellule staminali embrionali, cioè cellule pluripotenti in grado di autorinnovarsi e di originare qualsiasi tessuto o organo del corpo umano, ad eccezione dei tessuti extraembrionali, come la placenta [2]. Le staminali embrionali vengono ottenute dalla blastocisti [1]. É importante ricordare che le attuali strategie per la raccolta delle staminali embrionali prevedono manipolazione e distruzione dell’embrione, generando problemi di natura etica [3]; 
• Cellule staminali del cordone ombelicale, sono cellule indifferenziate presenti nel sangue del cordone ombelicale capaci di proliferare in vitro per molti cicli replicativi. La procedura di raccolta è molto semplice e non espone né la madre né il bambino a rischi procedurali o sofferenza. Nel sangue del cordone sono presenti diversi tipi di staminali: staminali cordonali simil-embrionali, che possono virtualmente originare qualsiasi organo o tessuto [4, 5], staminali cordonali mesenchimali, in grado di differenziare in cellule del tessuto adiposo, osseo e cartilagineo [6], staminali cordonali ematopoietiche, capaci di differenziare in cellule del sangue e linfociti, [7] e infine, staminali cordonali progenitrici endoteliali, in grado di originare nuovi vasi sanguigni [8, 9];
• Cellule staminali adulte, sono cellule virtualmente presenti in tutti gli organi e tessuti di un organismo completamente formato. La modalità di prelievo delle cellule staminali adulte è strettamente correlata con la sede di origine delle cellule stesse e può richiedere l’esecuzione di procedure invasive esponendo il donatore a potenziali rischi infettivi e procedurali. Le staminali adulte considerate più importanti dal punto di vista dell'applicazione clinica sono quelle ematopoietiche, in grado di originare tutte le cellule del sangue, e quelle mesenchimali, capaci di differenziare in tessuto cartilagineo, osseo ed adiposo [10].

2. LE CELLULE STAMINALI NEL DIABETE DI TIPO 1
Il diabete di tipo 1, detto anche diabete insulino dipendente o diabete autoimmune, è una patologia immuno-mediata, in cui il sistema immunitario attacca e distrugge le cellule che producono insulina, dette beta-cellule [11]. La terapia a base di insulina non è curativa e se da un lato migliora la sopravvivenza dei pazienti, dall’altro non ferma il progredire delle complicanze associate alla patologia [12]. In considerazione del fatto che il diabete di tipo 1 è determinato da una componente immunologica che si traduce nella distruzione di linee cellulari, ne consegue che le cellule staminali possono rappresentare un importante strumento di cura per tale patologia, essendo in grado sia di esercitare un effetto immunomodulatorio (cioè di controllare la risposta immunitaria), sia di promuovere la rigenerazione di cellule e tessuti [4, 13-21].
Diversi studi sperimentali confermano la possibilità di ottenere cellule producenti insulina da staminali embrionali [22-24]. Inoltre recenti ricerche hanno mostrato che è possibile aumentare la sintesi di insulina delle beta-cellule grazie alla somministrazione di un ormone, la Exendina-4 [25]. È interessante riportare che la capacità di originare cellule producenti insulina è stata osservata anche in cellule staminali cordonali sia in vitro [26-28] che in vivo [29]. Il trapianto autologo di staminali cordonali in giovani pazienti colpiti da diabete di tipo 1 di nuova insorgenza si è dimostrato sicuro (non ha dato luogo ad alcuna reazione avversa) e in grado di aumentare il numero di cellule T regolatorie, cellule coinvolte nella risposta immunitaria, senza peraltro dimostrarsi curativo [30].
Attualmente è in corso presso l'Università di Monaco (Germania) un interessante studio clinico in cui verrà verificata l'efficacia e la sicurezza dell'infusione autologa di staminali cordonali in bambini affetti da diabete di tipo 1. Infine beta-cellule sono state ottenute anche da staminali mesenchimali midollari [31, 32]. In particolare cellule producenti insulina, generate a seguito di manipolazione genetica di staminali mesenchimali midollari, quando trapiantate sotto la capsula renale in un modello animale di diabete di tipo 1, riducevano i livelli di glucosio ematico. Una riduzione di questi livelli indica che sintesi di insulina da parte dell’organismo è migliorata. Ulteriore conferma dell’efficacia del trapianto è che a seguito di nefrectomia si è osservata negli animali la ricomparsa dell'iperglicemia, cioè i livelli di glucosio sono tornati a salire [32].
Ad oggi sono attivi tre studi clinici per il trattamento del diabete di tipo 1 con staminali mesenchimali. In particolare l'efficacia del trapianto di staminali è valutata sia a seguito di trapianto allogenico (ClinicalTrials.gov Identifier: NCT00690066) che autologo (ClinicalTrials.gov Identifier: NCT01157403 e NCT01068951).


3. CONCLUSIONE
Le cellule staminali giocano quindi senza alcun dubbio un ruolo di primaria importanza nell'ambito della medicina rigenerativa, quel ramo della medicina che si occupa della rigenerazione di organi e tessuti in alternativa alla loro sostituzione tramite trapianto. Tuttavia, al fine di evitare facili entusiasmi è importante sottolineare che alcuni aspetti relativi all’utilizzo clinico delle staminali necessitano di essere approfonditi o risolti, come ad esempio la tendenza a generare teratomi (ovvero tumori dei tessuti embrionali) nel caso di staminali embrionali o la necessità di avere una sufficiente quantità di cellule disponibili per il trapianto, come nel caso delle staminali cordonali.

4. BIBLIOGRAFIA

1. Thomson, J.A., et al., Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science, 1998. 282(5391): p. 1145-7.
2. Anderson, D.J., F.H. Gage, and I.L. Weissman, Can stem cells cross lineage boundaries? Nat Med, 2001. 7(4): p. 393-395.
3. Schwartz, P.H. and S.B. Rae, An approach to the ethical donation of human embryos for harvest of stem cells. Reprod Biomed Online, 2006. 12(6): p. 771-5. 
4. Francese, R. and P. Fiorina, Immunological and regenerative properties of cord blood stem cells. Clinical Immunology, 2010. In Press, Corrected Proof. 
5. Kucia, M., et al., Morphological and molecular characterization of novel population of CXCR4+ SSEA-4+ Oct-4+ very small embryonic-like cells purified from human cord blood - preliminary report. Leukemia, 2006. 21(2): p. 297-303. 
6. Kern, S., et al., Comparative analysis of mesenchymal stem cells from bone marrow, umbilical cord blood, or adipose tissue. Stem Cells, 2006. 24(5): p. 1294-301. 
7. Lee, M.W., et al., Stem and progenitor cells in human umbilical cord blood. Int J Hematol. 92(1): p. 45-51. 
8. Lucchinetti, E., et al., Stem cell-like human endothelial progenitors show enhanced colony-forming capacity after brief sevoflurane exposure: preconditioning of angiogenic cells by volatile anesthetics. Anesth Analg, 2009. 109(4): p. 1117-26.
9. Brown, M.A., et al., Characterization of umbilical cord blood-derived late outgrowth endothelial progenitor cells exposed to laminar shear stress. Tissue Eng Part A, 2009. 15(11): p. 3575-87.
10. Ikada, Y., Challenges in tissue engineering. J R Soc Interface, 2006. 3(10): p. 589-601. 
11. Colucci, F. and C.M. Cilio, Taming killer cells may halt diabetes progression. Nat Immunol, 2010. 11(2): p. 111-112.
12. Nathan, D.M., et al., Intensive diabetes treatment and cardiovascular disease in patients with type 1 diabetes. N Engl J Med, 2005. 353(25): p. 2643-53.
13. Ohtsuka, S. and S. Dalton, Molecular and biological properties of pluripotent embryonic stem cells. Gene Ther, 2008. 15(2): p. 74-81.
14. Bonde, S. and N. Zavazava, Immunogenicity and engraftment of mouse embryonic stem cells in allogeneic recipients. Stem Cells, 2006. 24(10): p. 2192-201. 
15. Pittenger, M.F., et al., Multilineage potential of adult human mesenchymal stem cells. Science, 1999. 284(5411): p. 143-7.
16. Zhao, Y., et al., Human Cord Blood Stem Cell-Modulated Regulatory T Lymphocytes Reverse the Autoimmune-Caused Type 1 Diabetes in Nonobese Diabetic (NOD) Mice. PLoS ONE, 2009. 4(1): p. e4226.
17. Rasmusson, I., et al., Mesenchymal stem cells inhibit the formation of cytotoxic T lymphocytes, but not activated cytotoxic T lymphocytes or natural killer cells. Transplantation, 2003. 76(8): p. 1208-13. 
18. Krampera, M., et al., Bone marrow mesenchymal stem cells inhibit the response of naive and memory antigen-specific T cells to their cognate peptide. Blood, 2003. 101(9): p. 3722-9. 
19. Puissant, B., et al., Immunomodulatory effect of human adipose tissue-derived adult stem cells: comparison with bone marrow mesenchymal stem cells. Br J Haematol, 2005. 129(1): p. 118-29.
20. Morigi, M., et al., Mesenchymal stem cells are renotropic, helping to repair the kidney and improve function in acute renal failure. J Am Soc Nephrol, 2004. 15(7): p. 1794-804. 
21. McCarthy, P.L., et al., Lenalidomide after stem-cell transplantation for multiple myeloma. N Engl J Med. 366(19): p. 1770-81.
22. Soria, B., et al., Insulin-secreting cells derived from embryonic stem cells normalize glycemia in streptozotocin-induced diabetic mice. Diabetes, 2000. 49(2): p. 157-162.
23. Humphrey, R.K., et al., Characterization and isolation of promoter-defined nestin-positive cells from the human fetal pancreas. Diabetes, 2003. 52(10): p. 2519-25.
24. Blyszczuk, P., et al., Expression of Pax4 in embryonic stem cells promotes differentiation of nestin-positive progenitor and insulin-producing cells. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2003. 100(3): p. 998-1003.
25. Li, H., et al., High dosage of Exendin-4 increased early insulin secretion in differentiated beta cells from mouse embryonic stem cells. Acta Pharmacol Sin, 2010. 31(5): p. 570-7. 
26. Denner, L., et al., Directed engineering of umbilical cord blood stem cells to produce C-peptide and insulin. Cell Prolif, 2007. 40(3): p. 367-80.
27. Pessina, A., et al., Pancreas developing markers expressed on human mononucleated umbilical cord blood cells. Biochem Biophys Res Commun, 2004. 323(1): p. 315-22. 
28. Sun, B., et al., Induction of human umbilical cord blood-derived stem cells with embryonic stem cell phenotypes into insulin producing islet-like structure. Biochem Biophys Res Commun, 2007. 354(4): p. 919-23.
29. Yoshida, S., et al., Human cord blood--derived cells generate insulin-producing cells in vivo. Stem Cells, 2005. 23(9): p. 1409-16.
30. Haller, M.J., et al., Autologous umbilical cord blood transfusion in young children with type 1 diabetes fails to preserve C-peptide. Diabetes Care. 34(12): p. 2567-9.
31. Sun, Y., et al., Differentiation of bone marrow-derived mesenchymal stem cells from diabetic patients into insulin-producing cells in vitro. Chin Med J (Engl), 2007. 120(9): p. 771-6.
32. Li, Y., et al., Generation of insulin-producing cells from PDX-1 gene-modified human mesenchymal stem cells. J Cell Physiol, 2007. 211(1): p. 36-44.