Si riparte dalla caratterizzazione delle cellule staminali embrionali, le caratteristiche biologiche e la corretta terminologia che si deve utilizzare nello specificarne le capacità di differenziazione:

-         TOTIPOTENZA: cellula in grado di dare origine ad un intero embrione (blastocisti) à BLASTOMERO: cellule della morula (e solo di queste)

A partire da queste cellule la potenzialità andrà via via perdendosi a favore di una maggiore specializzazione delle cellule: dallo zigote alla blastocisti, e dalla blastocisti impiantata all’adulto, si perde capacità differenziativa a favore di una determinata specificità strutturale, funzionale e tissutale. Già nella blastocisti infatti, rispetto alla morula, troviamo cellule “committed”, ovvero quelle dello strato più esterno: le cellule del TROFOBLASTO sono infatti cellule sinciziate, che mantengono una forte capacità proliferante, ma sono già fortemente differenziate. Stessa cosa per le cellule del CITOTROFOBLASTO, che si occuperanno della formazione della placenta fetale.

Nelle cellule staminali adulte spicca la multipotenza delle cellule ematopoietiche, in grado di dare vita ai globuli rossi piuttosto che a tutti gli elementi figurati dei globuli bianchi (granulociti basofili/eosinofili/neutrofili), o ancora ai linfociti piuttosto che alle piastrine e così via…

La biologia delle cellule staminali adulte prevede una replicazione clonogenica, ovvero una divisione asimmetrica in condizioni fisiologiche, e una certa plasticità di sviluppo dal punto di vista differenziativo: le stesse cellule ematopoietiche di cui parlavamo sopra infatti, se forzatamente indotte in ambienti diversi dal loro, possono intraprendere destini differenziativi diversi dal proprio, quindi non più cellule del sangue ma altri tipi di tessuti. Abbiamo anche visto come le staminali adulte hanno una certa capacità di circolare all’interno dell’individuo: la loro localizzazione è stata seguita grazie a dei geni reporter (GFP o la β-Galattosidasi) a seguito di trapianti di cellule a livello sistemico, con conseguente localizzazione a livello del midollo osseo, ma anche in altri distretti dove non ci si aspetterebbe di trovare delle cellule ematopoietiche.

Il vero problema sta proprio nel seguire il destino differenziativo di una cellula, ovvero capire se la cellula staminale in esame sta TRANSdifferenziando (sta cambiando il suo fenotipo), o si sta semplicemente fondendo con le cellule residenti del tessuto in cui si trova ad essere. Esistono dei marcatori per le cellule staminali, ma non sono particolarmente selettivi, e seppur lo fossero il transdifferenziamento renderebbe vana una identificazione molecolare, dato che il cambiamento fenotipico porta alla perdita degli stessi marcatori specifici. Una cellula ematopoietica nel muscolo ad esempio, seppur seguita dai geni reporter, una volta che ha fuso con una cellula del muscolo scheletrico per fare un miotubulo, non posso sapere se essa è diventata satellite e poi si è fusa, o se si è fusa direttamente.

In merito alla plasticità di sviluppo si era riusciti, in alcuni studi, a recuperare una cellula del Purkinje danneggiata, in seguito a trapianto di staminali ematopoietiche sane; tuttavia sorgeva un problema: si osservava la presenza di due nuclei (tetraploidia 4n), stato patologico spesso associato all’insorgenza di neoplasie. In ogni caso, nell’articolo relativo all’esperimento, si sottolineava come il nucleo della cellula ematopoietica, fuso all’interno della cellula del Purkinje, perdesse le proprie caratteristiche e spegneva le informazioni genetiche relative alla cellula ematopoietica, andando invece a promuovere (in maniera non ancora ben chiara) l’espressione di quelle neurone specifiche...ovviando così alla tumorigenicità del risultato di fusione. La cellula veniva quindi recuperata e il suo nucleo riprogrammato. Rimane comunque il dubbio se la cellula ematopoietica fosse passata per un transdifferenziamento a cellula satellite e quindi fusione, o si fosse fusa direttamente.

Test condotti sulla rigenerazione cardiomiocitaria hanno dato inizialmente pareri contrastanti: gruppi di lavoro diversi hanno dimostrato che trasferendo in topi infartuati cellule ematopoietiche, si otteneva un recupero della capacità cardiaca, ovvero una rigenerazione del tessuto necrotizzato. Se dapprima si pensava che il recupero fosse dovuto a transdifferenziamento  delle cellule ematopoietiche, lavori seguenti hanno dimostrato che questa conclusione fosse una forzatura tutt’altro che veritiera.  Mancava completamente l’integrazione morfologica delle staminali…ci si è chiesti quindi perché si osservava cmq un recupero funzionale del tessuto cardiaco! La soluzione a questo problema viene fuori dalla funzione intrinseca del tessuto ematopoietico, ovvero la vascolarizzazione: le cellule trapiantate aumentavano l’apporto di sangue al cuore sopperendo al deficit vascolare prodotto dalla necrosi del tessuto cardiaco. Inoltre aumentava il pool di fattori trofici (fattori di crescita), promuovendo una iperfunzionalità delle cellule sane. Ecco che così, per un breve arco temporale, il cuore infartuato mostrava un recupero di funzione…in tempi lunghi tuttavia il topo era destinato a morire. L’uso di geni reporter (LacZ per β-Galattosidasi e GFP) ha dimostrato appunto che le cellule marcate non entravano nel tessuto cardiaco, ma si limitavano ad aumentare la rete vascolare sopperendo al danno per brevi periodi.

Tornando ai concetti di transdifferenziamento e fusione, abbiamo visto come la fusione può portare a fenomeni a carattere patologico: il caso della tetraploidia della cellula del Purkinje è emblematico. Quale delle due vie venga effettivamente scelta è tuttavia ancora da stabilire, in modo particolare lo si deve fare caso per caso, mentre infatti per le cellule muscolari è più probabile che si vada incontro a diretta fusione per la formazione di un miotubulo, per altri tessuti potrebbe essere preferita la via che prevede un canbio di lineage differenziativo da parte della staminale, per poi entrare direttamente a far parte del pool cellulare di quel tessuto specifico. La fusione sembra essere preferita nei casi di SELF-RESCUE (come il caso della Purkinje) dove recupero una cellula danneggiata, mentre invece il transdifferenziamento sarebbe legato a fenomeni di SELF-REPLACEMENT per il recupero di una struttura tissutale.

Esperimenti di master-gene in dinamiche di interattomica ha dimostrato invece come è possibile riprogrammare un fibroblasto, cellula adulta non staminale, a diventare una staminale embrionale pluripotente indotta artificialmente. L’immunocompatibilità rimane invariata, ed ad essa si collegano i problemi di rigetto in caso di trapianto in soggetti non immunocompatibili. Tuttavia un fibroblasto riprogrammato e reinserito in uno stesso soggetto potrebbe rappresentare il prospetto terapeutico del futuro. Tuttavia anche per le IPS (INDUCED PLURIPOTENT STEM cells) presentano aspetti patologici rilevanti nel momento in cui possono portare a neoplasie. Mutazioni a carico di queste cellule hanno prodotto infatti teratocarcinomi. Alcuni eventi possono portare la cellula a diventare tumorale: cancer stem cells.

Recenti studi sono andati per l’appunto  le cause dello sviluppo di tumori da parte di cellule staminali: si è visto infatti che molte delle cellule staminali votate alla formazione di carcinomi non avevano più una divisione asimmetrica (una cellula staminale si divide in due figlie, dove una mantiene la staminalità e l’altra tende a differenziarsi in modo definitivo), ma mostravano divisione simmetrica, espandendo notevolmente le dimensioni del tumore. Ad ogni divisione cellulare si producono due cellule entrambi capaci di continuare ad espandere la popolazione.

Le cellule staminali tumorali sono state trovate in diversi distretti come leucemie, tumore alla mammella e glioblastomi, e si ricercava un marcatore specifico per determinare se le cellule fossero effettivamente tumorali o meno: nei glioblastomi si è visto che si esprimeva il marcatore CD133, che tuttavia era anche il marcatore classico della staminale neuronale normale…quindi non posso sfruttare questo marcatore come indicativo della possibile insorgenza tumorale. Le attuali strategie mirano invece a identificare una set di antigeni che potrebbero essere indicativi di uno shift tumorale, più che l’attribuzione dello stato patologico in base ad un singolo antigene. L’approccio nei confronti delle cellule dei gliomi CD133(+) (CD133 positive) ha portato ad identificare dei difetti nei pathways differenziativi (non riuscivano più a differenziare), in modo particolare per il fattore DMP. I ricercatori hanno isolato le cellule del glioblastoma CD133(+), deputate ad essere la fonte di ripopolamento del blastoma, e trattandole con il fattore DMP si induceva il differenziamento riducendo il tumore. Tumori indotti da cellule CD133(+) non trattate presentavano masse notevoli, mentre il trapianto di cellule CD133(+) trattate con DMP produceva masse di piccola identità. Le neoplasie stesse, se trattate con DMP, presentavano una riduzione della massa in vivo.

Questi esperimenti testimoniano che è possibile istruire le cellule tumorali inducendone il differenziamento con fattori che naturalmente portano a differenziare le cellule della glia normali, come con DMP. Riducendo quindi la potenzialità staminale di queste cellule, se ne può controllare la patogenicità, ed agire contestualmente per via farmacologica ad un più efficace trattamento dell’intero tumore.

Il pathway di NOTCH è alla base del controllo del ciclo cellullare e della divisione asimmetrica, quindi di molte delle alterazioni in grado di indurre la formazione del tumore: NOTCH è un recettore localizzato su una cellula che viene attivato quando un controrecettore localizzato su una cellula adiacente (Delta o Jammed) lo incontra per contatto. Il contatto provoca, nella cellula che esprime NOTCH, la clivazione da parte di una γ-secretasi del tratto intracellulare di NOTCH, che è così libero di andare nel citoplasma e quindi nel nucleo dove attiva, insieme ad altri fattori di trascrizione, quei geni deputati alla divisione cellulare. Alla fine dello stimolo proliferativo c’è quindi il segnale di NUMB che spegne gli effetti di NOTCH, in modo da bloccare la replicazione cellulare. Il domino PEST di NOTCH viene ubiquitinato, in modo la proteina  viene mandata al proteasoma, e quindi degradata.

In molte cellule tumorali è stata osservata una mutazione del gene NOTCH, in modo particolare dei siti di taglio della γ-secretasi (dominio HD) e del dominio PEST: queste mutazioni producono una attivazione costitutiva di NOTCH a livello citoplasmatico, e il conseguente stimolo continuo verso una proliferazione cellulare.

Altro fattore importante, per quanto riguarda in modo particolare la metastatizzazione del tumore, è il fattore MET: dalla regione del mesoderma parassiale (quella che da origine ai muscoli del corpo) alcune cellule migrano per andare a colonizzare le zone dei bozzi degli arti, e il processo è guidato da C-Met. Una alterazione di Met porta per l’appunto ad una maggiore capacità, da parte delle cellule tumorali, di colonizzare ed invadere regioni diverse del corpo.

Ulteriori fattori determinanti per la tumorigenicità sono INK4 o i fattori P15 e P16, fattori strettamene coinvolti nella regolazione della replicazione cellulare, che se mutati, permetterebbero fenomeni replicativi anche in cellule senescenti.