Qual è la struttura delle cellule staminali?

Mentre leggi questo, i ricercatori di tutto il mondo sono ai loro banchi di laboratorio, cercando di capire come un giorno far crescere nuovi tessuti e organi da singole cellule. Se pensi che suoni come qualcosa di un film di fantascienza, non sei solo. Eppure questa ricerca potrebbe produrre una svolta scientifica che cambia il modo in cui i professionisti medici trattano una vasta gamma di malattie umane nel mondo reale.

Gli obiettivi finali di questa ricerca potrebbero essere ampi, ma il soggetto della ricerca è così infinitamente piccolo che non puoi nemmeno vederlo ad occhio nudo. Il soggetto è cellule staminali. Grazie alle loro caratteristiche uniche, queste incredibili cellule hanno il potenziale per cambiare il futuro della scienza e della medicina.
Maggiori informazioni sui vantaggi e gli svantaggi della ricerca sulle cellule staminali.

Sai che la riproduzione sessuale richiede che uno spermatozoo e un uovo si uniscano e formino un zigote tramite fecondazione. Questa singola cellula eucariotica contiene una serie completa di informazioni genetiche e ha il potenziale per dividersi in un organismo multicellulare complesso come te.

Ma ti sei mai chiesto come quella singola cellula potrebbe dividersi in trilioni e trilioni di cellule in un corpo umano? E come potrebbe una sola cellula dare origine a così tanti diversi tipi di cellule, sia cellule della pelle che cellule cerebrali, per esempio?

Quando lo zigote inizia a dividersi (prima che si impianti nell'utero), le cellule risultanti sono in realtà cellule staminali. Gli scienziati dicono che queste cellule flessibili sono entrambe le cose proliferativo e pluripotente. Ciò significa che le cellule si dividono prontamente per produrre molte, molte più cellule e possono svilupparsi in qualsiasi tipo di cellula specializzata attraverso le cellule staminali differenziazione.
Maggiori informazioni sulla spiegazione della specializzazione cellulare.

A prima vista, le parti di una cellula staminale non sembrano poi così speciali in superficie. Come tutte le cellule del corpo umano, le cellule staminali condividono tutte alcune strutture comuni. Questi includono:

• UN membrana cellulare, che è un doppio strato lipidico che circonda la cellula che consente ad alcuni materiali di entrare nella cellula e ne tiene fuori altri.
  
• Citoplasma, che è il brodo liquido all'interno della cella.
  
• UN nucleo, che contiene tutte le informazioni genetiche della cellula memorizzate come DNA.

Tra la fecondazione nelle tube di Falloppio e l'impianto nell'utero, l'embrione cambierà da un semplice foglio di cellule staminali in un gruppo organizzato di cellule - chiamato gastrula – con tre strati germinali. Questi alla fine daranno origine a tutti i molti tipi di cellule, tessuti e organi che compongono un intero (sebbene ancora molto piccolo) feto umano.

Lo strato più esterno, chiamato ectoderma, dà origine alle cellule della pelle e ai tessuti del sistema nervoso. Lo strato intermedio, o mesoderma, produce cellule del sangue, tessuto connettivo, cellule muscolari e il tessuto placentare che mantiene in vita il feto in utero. Lo strato interno, chiamato the endoderma, crea i rivestimenti dell'intestino, dei polmoni e del tratto urogenitale.

Grazie alla pluripotenza, le cellule staminali possono differenziarsi e diventare uno qualsiasi di questi tipi di cellule dopo l'impianto. Queste cellule staminali associate al normale sviluppo degli embrioni sono uno dei tre tipi di cellule staminali utilizzati dagli scienziati. I ricercatori li chiamano cellule staminali embrionali umaneo hESC.

Le cellule staminali embrionali utilizzate dagli scienziati non provengono mai dalla fecondazione tradizionale all'interno delle tube di Falloppio di un vero essere umano. Invece, gli scienziati li creano in provette usando in vitro fecondazione (FIV). Queste cellule staminali embrionali generalmente finiscono nei laboratori di ricerca dopo che le persone che usano la fecondazione in vitro per creare famiglie completano il processo e donano gli embrioni congelati in più alla scienza (piuttosto che distruggerli).

Per i ricercatori, ci sono alcuni vantaggi nell'usare le cellule staminali embrionali rispetto ad altri tipi di cellule staminali. Le cellule staminali embrionali sono abbastanza facili da trovare e sono semplici da coltivare in coltura. Ancora più importante, le cellule staminali embrionali sono veramente tabula rasa che può dare origine essenzialmente a qualsiasi tipo di cellula dopo la differenziazione delle cellule staminali.

Proprio come fanno le cellule dopo l'impianto in un utero vivente, le cellule staminali embrionali in laboratorio si aggregano naturalmente in corpi embrionali e iniziano a differenziarsi in cellule specializzate. Gli scienziati che coltivano cellule staminali embrionali in coltura devono mantenere condizioni specifiche nel terreno di coltura per evitare che ciò accada.

Consentendo alle cellule staminali di proliferare senza differenziarsi, gli scienziati creano linee di cellule staminali embrionali. Gli scienziati possono quindi congelare queste linee cellulari e inviarle ad altri laboratori per progetti di ricerca o ulteriori coltivazioni. Per qualificarsi come linea cellulare, le cellule staminali embrionali devono:

• Crescere indifferenziato in coltura cellulare per almeno sei mesi.
• Essere pluripotenti o capaci di differenziarsi in qualsiasi tipo di cellula.
• Non avere anomalie genetiche.

Quando i ricercatori sono pronti affinché le cellule di una linea di cellule staminali embrionali diventino tipi specifici di cellule, come per uno specifico progetto di ricerca, alterano semplicemente il terreno di coltura o iniettano geni specifici nella cellula staminale per attivare la cellula staminale differenziazione.

Si scopre che molti tessuti maturi nel corpo umano completamente sviluppato si aggrappano ad alcune cellule indifferenziate per un giorno di pioggia. Questi cellule staminali adulte – a volte chiamato somatico cellule staminali: si attivano quando il corpo ha bisogno di nuove cellule. Ciò accade per tenere conto del normale ricambio cellulare e della crescita e anche per riparare i tessuti dopo una lesione o una malattia.

Gli scienziati hanno trovato cellule staminali adulte in un'ampia varietà di organi e tessuti, come:

• Vasi sanguigni.
• Midollo osseo.
• Cervello.
• Intestino.
• Cuore.
• Fegato.
• ovaie.
• Sangue periferico.
• Muscolo scheletrico.
• Denti.
• Testi.

Le cellule staminali adulte si trovano generalmente in aree specifiche, chiamate nicchie di cellule staminali. A differenza delle cellule staminali embrionali, che possono differenziarsi in qualsiasi tipo di cellula, la differenziazione delle cellule staminali adulte è limitata e specifica per i tessuti. Ciò significa che le cellule staminali adulte si differenziano tipicamente solo nei tipi cellulari associati al tessuto in cui risiedono.

Ad esempio, le cellule staminali adulte nel cervello diventeranno solo cellule nervose o cellule cerebrali non neuronali. Ecco alcune altre cellule staminali adulte ben note e i loro tipi cellulari specializzati:

• Cellule staminali ematopoietiche si trovano nel midollo osseo e danno origine alle cellule del sangue, compresi i globuli rossi e le cellule del sistema immunitario.
• Cellule staminali mesenchimali si trovano nel midollo osseo (e in alcuni altri tessuti) e danno origine a cellule ossee, cellule cartilaginee, cellule adipose e cellule stromali.
• Cellule staminali epiteliali si trovano in profondità nel rivestimento dell'intestino e danno origine a assorbente cellule, calice cellule, enteroendocrino cellule e Paneth cellule.
• Cellule staminali della pelle si trovano nello strato basale della pelle e danno origine a cheratinociti che formano uno strato protettivo sulla superficie della pelle.

Gli scienziati hanno osservato in esperimenti che alcune cellule staminali adulte si sono differenziate in cellule specializzate diverso dal tipo di cellula atteso, che è simile alla preziosa pluripotenza delle cellule staminali embrionali. Tuttavia, questo transdifferenziazione è raro e colpisce solo un piccolo segmento di cellule staminali quando si verifica. I ricercatori non sono sicuri che succeda negli esseri umani.

Le cellule staminali adulte presentano alcuni svantaggi per gli scienziati. Sono rari e difficili da coltivare in laboratorio. Hanno anche limiti su quanto possono dividersi e su quali tipi di cellule possono diventare. Tuttavia, le cellule staminali adulte hanno un netto vantaggio: probabilmente hanno meno probabilità di innescarsi rigetto immunitario poiché potrebbero essere prelevati dal corpo di un paziente.

Nel 2006, i ricercatori hanno scoperto un altro tipo di cellula staminale: cellule staminali pluripotenti indotteo iPSC. Queste sono cellule staminali adulte che gli scienziati riprogrammano per agire più come cellule staminali embrionali. Tuttavia, non è ancora chiaro se ci siano differenze cliniche significative tra cellule staminali pluripotenti indotte e cellule staminali embrionali. Gli scienziati utilizzano già le iPSC per lavori importanti, come lo sviluppo di farmaci e la modellazione di malattie umane a fini di ricerca.

Ci sono ostacoli tecnici da superare prima che i ricercatori possano utilizzare queste cellule staminali pluripotenti indotte per applicazioni più dirette. Oltre a confermare che queste cellule staminali non sono fondamentalmente diverse dalle staminali embrionali cellule, i ricercatori devono escogitare nuove tecniche per produrre cellule staminali pluripotenti indotte nel primo posto. L'attuale metodo utilizza i virus come veicolo per la riprogrammazione, che ha mostrato gravi effetti collaterali, come il cancro, negli studi sugli animali.

Oltre allo screening di nuovi farmaci per l'industria farmaceutica e al servizio come modelli di malattie per i progetti di ricerca, gli scienziati ritengono che le cellule staminali potrebbero creare nuovi (ed eccitanti) trattamenti cellulari possibile. Ciò significa che un giorno i laboratori potrebbero far crescere nuovi organi e tessuti per le persone che hanno bisogno di trapianti piuttosto che fare affidamento su donatori di organi e tessuti.

Potrebbe sembrare che gli scienziati utilizzino le cellule staminali per produrre cellule del muscolo cardiaco che possono trapiantare in persone con malattie cardiache croniche. Gli attuali studi sugli animali suggeriscono che le cellule staminali stromali del midollo osseo sono promettenti per questa applicazione, sebbene il meccanismo preciso non sia ancora chiaro. Gli scienziati non sono sicuri se le cellule staminali diano origine a nuove cellule del muscolo cardiaco o cellule dei vasi sanguigni, o se facciano qualcos'altro.

Un altro esempio teorico è il diabete di tipo 1. Gli scienziati sperano di differenziare le cellule staminali embrionali umane nelle cellule che producono insulina. Il sistema immunitario delle persone con diabete interrompe queste cellule e impedisce loro di svolgere il proprio lavoro. Gli scienziati si chiedono se un giorno potranno differenziare le cellule staminali in cellule produttrici di insulina e trapiantarle nei pazienti.

Oltre alle malattie cardiache e al diabete, gli scienziati ritengono che questo progresso medico possa influenzare altre malattie umane e condizioni che includono:

• brucia.
• Degenerazione maculare, che può causare la perdita della vista.
• Artrosi e artrite reumatoide.
• Lesione del midollo spinale, che può causare intorpidimento, perdita di funzionalità o paralisi.
• Colpo.

Naturalmente, portare queste nuove terapie ai pazienti reali richiederà agli scienziati di padroneggiare ogni fase di questo processo teorico. Ciò significa che devono:

• Fai crescere abbastanza cellule staminali per costruire fisicamente il tessuto o l'organo.
• Stimolare le cellule staminali a differenziarsi nel tipo cellulare corretto.
• Assicurarsi che le cellule staminali differenziate possano sopravvivere all'interno del corpo del paziente.
• Assicurarsi che le cellule staminali differenziate si integrino correttamente nei tessuti riceventi all'interno del corpo del paziente.
• Aspettatevi ragionevolmente che il nuovo tessuto o organo svolga il lavoro per il quale è stato costruito durante l'intero corso della vita del paziente.
• Assicurati che le nuove cellule non causino danni collaterali al paziente, come il cancro.

Per definizione di cellule staminali, questi passaggi sembrano realizzabili utilizzando cellule staminali embrionali, ma richiederanno molti anni di seria ricerca su più fronti. Questo è il motivo per cui la ricerca sulle cellule staminali è un campo così attivo nelle scienze professionali e anche perché è al centro dell'attenzione di molti insegnanti e studenti di scienze.

Mentre il risultato finale della ricerca sulle cellule staminali potrebbe essere ancora lungo la strada, aumentando la comprensione generale della struttura delle cellule staminali e di come funziona la differenziazione delle cellule staminali è un ottimo modo per far parte di questo emergente scienza.