Cellule staminali: proprietà, classificazione, produzione, coltivazione e utilizzo. Principi generali del trattamento con cellule staminali. Organi artificiali: l'uomo può tutto
) la tecnologia non viene utilizzata sugli esseri umani, ma in questo settore sono in corso uno sviluppo e una sperimentazione attivi. Secondo il direttore del Centro scientifico federale per i trapianti e gli organi artificiali intitolato a Shumakov, il professor Sergei Gauthier, gli organi in crescita saranno disponibili tra 10-15 anni.
Situazione
L'idea di coltivare artificialmente organi umani non ha lasciato gli scienziati per più di mezzo secolo, da quando gli organi dei donatori hanno iniziato a essere trapiantati nelle persone. Anche se è possibile trapiantare la maggior parte degli organi sui pazienti, la questione della donazione è attualmente molto urgente. Molti pazienti muoiono senza ricevere il loro organo. La crescita di organi artificiali potrebbe salvare milioni di vite umane. Alcuni progressi in questa direzione sono già stati ottenuti utilizzando metodi di medicina rigenerativa.
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Cellule staminali sono attualmente un argomento di discussione molto vivace nella società. Probabilmente non esiste una sola persona che non abbia almeno sentito il termine “cellule staminali”. Sfortunatamente, oltre a conoscere questo termine, una persona, di regola, non può dire nulla su cosa siano le cellule staminali, quali siano le loro proprietà, come si ottengono e perché possono essere utilizzate per trattare una serie di malattie.
Questa situazione è dovuta al fatto che numerosi programmi televisivi, forum e pubblicità non forniscono informazioni dettagliate ed esaurienti sull'argomento. Molto spesso, le informazioni sulle cellule staminali vengono presentate come un video pubblicitario, lodandole ed elevandole al ruolo di panacea per tutte le malattie, oppure nei programmi si parla di scandali che, a volte in modi incredibili, sono associati alla stessa cellula staminale. cellule.
Cioè, la situazione con le cellule staminali è simile ad alcune voci circolanti su qualcosa di misterioso, ma molto potente, che può portare un grande bene o un male non meno terribile. Naturalmente questo è sbagliato e riflette solo la totale mancanza di informazioni obiettive e complete tra le persone. Consideriamo cosa sono le cellule staminali, perché sono necessarie, come si ottengono, quali proprietà hanno e altre questioni che sono in un modo o nell'altro legate a questi oggetti biologici.
Cosa sono le cellule staminali?
In termini generali possiamo dire che le cellule staminali sono strutture che hanno la capacità di trasformarsi in cellule adulte e funzionalmente attive di vari organi. Dalle cellule staminali possono crescere e formarsi una cellula epatica (epatocita), un rene (nefrocita), un cuore (cardiomiocita), un vaso, un osso, una cartilagine, un utero, un'ovaia, ecc. Cioè, in sostanza, le cellule staminali sono una sorta di riserve di riserva, dalle quali, se necessario, si formeranno nuove cellule di vari organi per sostituire quelle morte o danneggiate.Tuttavia, questa definizione di cellule staminali è molto generale, poiché riflette solo la caratteristica principale di un dato tipo di cellula, oltre alla quale ci sono molte altre proprietà che ne determinano la varietà. Per affrontare il problema delle cellule staminali e averne una comprensione relativamente completa, è necessario conoscere queste proprietà e varietà caratteristiche.
Proprietà e tipi di cellule staminali
La proprietà principale di ogni cellula staminale è la sua potenza, determinata dal grado di differenziazione e proliferazione. Vediamo cosa significano questi termini. Potenza
La potenza è la capacità strettamente limitata di una cellula staminale di trasformarsi in determinati tipi di cellule in vari organi. Maggiore è il numero di tipi di cellule che si possono formare dallo stelo, maggiore è la sua potenza. Ad esempio, da un fibroblasto (cellula staminale del tessuto connettivo) si possono formare vasi sanguigni, cellule adipose, cellule della pelle, cartilagine, capelli e unghie, e da una cellula staminale mesenchimale si possono formare cardiomiociti, fibre muscolari, ecc. Cioè, ogni cellula staminale, infatti, ha la capacità di trasformarsi solo in una gamma limitata di cellule che condividono alcune proprietà e funzioni comuni. Ad esempio, una cellula staminale mesenchimale non sarà in grado di trasformarsi in una cellula della pelle o dei capelli.A causa di tali restrizioni sulla potenza, sono stati isolati i seguenti tipi di cellule staminali:
- Totipotente: capace di trasformarsi in cellule di tutti gli organi e tessuti senza eccezioni;
- Polipotente (multipotente) - capace di trasformarsi in cellule di diversi tipi di organi o tessuti che hanno un'origine embrionale comune;
- Monopotente: capace di trasformarsi solo in varietà di cellule di qualsiasi organo.
Cellule staminali totipotenti o embrionali
Solo le cellule staminali embrionali umane fino all'ottava divisione hanno totipotenza. Cioè, lo zigote (uovo fecondato) e l'embrione si sono formati da esso fino a formare 256 cellule. Tutte le cellule dell'embrione, fino a raggiungere la dimensione di 256 cellule, e lo zigote, infatti, sono cellule staminali. In condizioni normali, è molto difficile ottenere cellule embrionali con totipotenza, poiché lo zigote inizia a dividersi nella tuba di Falloppio e dopo il trapianto nell'utero ha già più di 256 cellule. Cioè, quando una donna scopre la gravidanza, l'embrione ha già più di 256 cellule e, quindi, non hanno totipotenza.Attualmente, le cellule staminali totipotenti si ottengono solo in condizioni di laboratorio, fecondando un ovulo con uno spermatozoo e facendo crescere l'embrione fino alla dimensione desiderata. Le cellule totipotenti embrionali vengono utilizzate principalmente per esperimenti su animali e per la coltivazione di organi artificiali.
Cellule staminali pluripotenti
Le cellule staminali embrionali umane sono pluripotenti, a partire dall'ottava divisione e fino alla 22a settimana di gravidanza. Ogni cellula staminale pluripotente può svilupparsi solo in pochi tipi di tessuti o organi. Ciò è dovuto al fatto che allo stadio di 256 cellule, gli organi e i tessuti primari iniziano ad emergere nell'embrione umano. Sono queste strutture primarie che successivamente daranno origine a tutti gli organi e tessuti del corpo umano senza eccezioni. Pertanto, l'embrione sviluppa cellule staminali pluripotenti mesenchimali, neurali, del sangue e del tessuto connettivo.Cellule staminali mesenchimali
Le cellule staminali mesenchimali formano organi interni, come fegato, milza, reni, cuore, polmoni, cistifellea, pancreas, stomaco e altri, nonché muscoli scheletrici. Ciò significa che dalla stessa cellula staminale mesenchimale possono formarsi cardiomiociti, epatociti, cellule dello stomaco, ecc.Cellule staminali neurali
Da essi si formano quindi tutte le strutture del sistema nervoso. Da una cellula staminale pluripotente del sangue si formano tutte le cellule del sangue, senza eccezione, come monociti, leucociti, linfociti, piastrine ed eritrociti. E tutti i vasi sanguigni, la cartilagine, le ossa, la pelle, il grasso sottocutaneo, i legamenti e le articolazioni sono formati da cellule staminali del tessuto connettivo. Cellule staminali emopoietiche
Assolutamente tutte le cellule del sangue si formano da loro. Inoltre, poiché le cellule del sangue vivono per un periodo piuttosto breve, da 90 a 120 giorni, vengono costantemente rinnovate e sostituite durante la vita di una persona. La sostituzione degli elementi del sangue morto avviene a causa della costante formazione di nuovi da cellule staminali emopoietiche situate nel midollo osseo. Tali cellule staminali ematopoietiche persistono per tutta la vita di una persona e, se il loro normale sviluppo viene interrotto, una persona sviluppa malattie del sangue, come la leucemia, l'anemia, il linfoma, ecc.Attualmente, le cellule staminali pluripotenti vengono utilizzate molto spesso nella medicina pratica, sia per il trattamento di malattie gravi (ad esempio diabete mellito, sclerosi multipla, morbo di Alzheimer, ecc.) che per il ringiovanimento. Le cellule staminali pluripotenti si ottengono dagli organi di embrioni abortiti di età non superiore alle 22 settimane di gestazione. In questo caso, le cellule staminali vengono divise a seconda dell'organo da cui vengono ottenute, ad esempio fegato, cervello, sangue, ecc. Le cellule del fegato fetale (embrionale) vengono spesso utilizzate, poiché hanno la potenza più universale necessario per il trattamento di malattie di vari organi, ad esempio cirrosi epatica, infarto del miocardio, ecc. Le cellule staminali multipotenti ottenute da organi embrionali sono spesso chiamate anche cellule staminali fetali. Questo nome deriva dalla parola "feto", che in latino significa feto, embrione.
Cellule staminali monopotenti
Dopo 22 settimane di gestazione, tutte le cellule staminali fetali diventano monopotenti e vengono assegnate a organi e tessuti. Monopotenza significa che una cellula può trasformarsi solo in cellule specializzate dell'organo in cui si trova. Ad esempio, una cellula staminale del fegato può trasformarsi solo in cellule del dotto epatico o in cellule che formano la bile, disintossicano le tossine, ecc. Ma tutta la sua gamma di possibili trasformazioni è limitata solo dal tipo di cellule del fegato. Una cellula epatica così monopotente non sarà più in grado di trasformarsi in una cellula della milza, del cuore o di qualsiasi altro organo, a differenza di una cellula pluripotente. E la fissità delle cellule significa che si trovano solo in questo organo e non potranno mai spostarsi in un altro.Un bambino nasce proprio con queste cellule staminali monopotenti, che sono presenti in ogni organo e tessuto senza eccezioni, costituendo una sorta di riserva. Da questa riserva si formano nel corso della vita nuove cellule di ogni organo e tessuto per sostituire quelle danneggiate e morte. Nel corso della vita, tali cellule staminali vengono gradualmente consumate, ma anche quando una persona muore di vecchiaia, sono ancora presenti in tutti gli organi e tessuti.
Ciò significa che teoricamente solo le cellule staminali monopotenti possono essere ottenute dagli organi e dai tessuti di un bambino o di un adulto. Tali cellule prendono solitamente il nome dall'organo da cui sono state ottenute, ad esempio nervo, fegato, stomaco, grasso, ossa, ecc. Tuttavia, nel midollo osseo anche di un adulto ci sono due tipi di cellule staminali pluripotenti: sangue e mesenchimali, che ora sono abbastanza facili da ottenere utilizzando tecniche di laboratorio di routine. Per il trattamento di varie malattie e il ringiovanimento, vengono spesso utilizzate queste cellule staminali pluripotenti del sangue e mesenchimali ottenute dal midollo osseo.
Proliferazione e differenziazione delle cellule staminali
Oltre alle proprietà elencate della potenza, ogni cellula staminale è caratterizzata dal grado di differenziazione e dalla capacità di proliferare. Diamo un'occhiata a cosa significano i termini proliferazione e differenziazione. La proliferazione è la capacità di una cellula di dividersi, cioè di moltiplicarsi. Il fatto è che ogni cellula staminale, nel processo di trasformazione in strutture cellulari specializzate di qualsiasi organo e tessuto, non solo subisce un processo di maturazione, ma si divide anche più volte. Inoltre, la divisione avviene ad ogni successivo stadio di maturazione. Cioè, da una cellula staminale si ottengono da diverse a diverse centinaia di cellule mature già pronte di qualsiasi organo o tessuto.
La differenziazione è il grado di specializzazione ristretta di una cellula, cioè la presenza di una funzione strettamente definita per la quale sono create. Ad esempio, le cellule altamente specializzate del muscolo cardiaco (cardiomiociti) vengono create solo per eseguire contrazioni, con l'aiuto delle quali il sangue viene espulso e circola in tutto il corpo. Di conseguenza, le cellule che hanno le proprie funzioni specializzate sono chiamate altamente differenziate. E le cellule relativamente universali che non hanno funzioni specifiche sono scarsamente differenziate. Normalmente, nel corpo umano, tutte le cellule degli organi e dei tessuti sono altamente differenziate e solo le cellule staminali monopotenti sono considerate poco differenziate. Queste cellule non hanno funzioni specifiche e sono quindi scarsamente differenziate.
Il processo di trasformazione di una cellula staminale in una cellula specializzata con funzioni chiare e definite è chiamato differenziazione, durante il quale passa da poco differenziata ad altamente differenziata. Durante il processo di differenziazione, una cellula staminale attraversa numerose fasi, in ciascuna delle quali si divide. Di conseguenza, quanto più bassa è la differenziazione di una cellula staminale, tante più fasi dovrà attraversare nel processo di differenziazione e più volte si dividerà.
Sulla base di ciò si può formulare la seguente semplice regola: maggiore è la potenza della cellula, cioè minore è il grado di differenziazione, maggiore è la sua capacità di proliferare. Ciò significa che le cellule staminali totipotenti meno differenziate hanno la maggiore capacità di proliferare. E quindi, da una cellula staminale totipotente si formano diverse migliaia di cellule specializzate e altamente differenziate di vari organi e tessuti. E le cellule staminali monopotenti più altamente differenziate hanno una capacità minima di proliferare. Pertanto, da una cellula monopotente si formano solo poche cellule altamente differenziate di qualsiasi organo o tessuto.
Tipi di cellule staminali in vari organi
Attualmente, in un adulto o in un bambino, le cellule staminali vengono ottenute dal sangue del cordone ombelicale o dal midollo osseo. Inoltre, le cellule staminali per esigenze cliniche e di ricerca vengono ottenute da materiale abortivo di feti di non più di 23 settimane di gestazione. Diamo un'occhiata a quali tipi di cellule staminali si ottengono da queste potenziali fonti.Cellule staminali cerebrali
Questo tipo di cellule viene ottenuto dal cervello di feti abortiti tra la 18a e la 22a settimana di gravidanza. Ottenere cellule staminali cerebrali da embrioni meno maturi è tecnicamente quasi impossibile a causa delle loro dimensioni molto ridotte.Le cellule staminali cerebrali sono classificate come cellule nervose pluripotenti, cioè possono formare e formare qualsiasi struttura cellulare del sistema nervoso di qualsiasi organo o tessuto. Dalle cellule staminali cerebrali possono formarsi ad esempio i neuroni delle circonvoluzioni, le strutture del midollo spinale, le fibre nervose, i recettori sensoriali e motori, il sistema di conduzione del cuore, ecc. In generale, qualsiasi cellula nervosa in qualsiasi parte del corpo umano può formarsi da una cellula staminale pluripotente del cervello.
Questo tipo di cellule viene solitamente utilizzato per trattare malattie neurodegenerative e lesioni nervose traumatiche, come ictus, sclerosi multipla, morbo di Alzheimer, lesioni da schiacciamento dei tessuti, paresi, paralisi, paralisi cerebrale, ecc.
Cellule staminali del fegato
Le cellule staminali epatiche vengono ottenute dall'organo corrispondente del feto alla 18-22a settimana di gravidanza. Questo tipo di cellule staminali è anche chiamato fetale. È tecnicamente quasi impossibile ottenere cellule staminali epatiche da embrioni meno maturi a causa delle loro dimensioni molto ridotte e dell’assenza di un fegato formato. Dal fegato dei feti si ottengono due tipi di cellule staminali pluripotenti: ematopoietiche e mesenchimali. Nella prima fase si ottiene una miscela di entrambi i tipi di cellule staminali pluripotenti e poi, se necessario, vengono separate. Le cellule fetali mesenchimali sono del massimo valore, poiché da esse è possibile coltivare cellule a pieno titolo e funzionalmente attive di vari organi interni, come polmoni, cuore, fegato, milza, reni, utero, vescica, stomaco, ecc. Attualmente, le cellule di quasi tutti gli organi vengono coltivate con successo in provette aggiungendo sostanze speciali al mezzo nutritivo che le costringono a differenziarsi in una determinata direzione. Ad esempio, per far crescere un cardiomiocita (cellula del cuore), al mezzo nutritivo viene aggiunta la 5-azacitidina, mentre per ottenere tutti gli altri tipi specializzati di cellule organiche sono necessarie altre sostanze chimiche. Inoltre, per formare una cellula per ciascun organo specifico, è necessario aggiungere al mezzo nutritivo un composto rigorosamente definito.
Le cellule staminali epatiche fetali vengono utilizzate per trattare varie malattie gravi e croniche degli organi interni, come la cirrosi, gli attacchi di cuore, l'incontinenza urinaria, la tubercolosi polmonare, il diabete, ecc.
Cellule staminali dal sangue del cordone ombelicale
Come suggerisce il nome, le cellule staminali di questo tipo vengono ottenute dal sangue del cordone ombelicale di un neonato. In questo caso, oltre al fegato fetale, si ottengono due tipi di cellule staminali pluripotenti: ematopoietiche e mesenchimali. Inoltre, la maggior parte delle cellule staminali isolate dal sangue del cordone ombelicale sono emopoietiche.Le cellule emopoietiche possono trasformarsi in qualsiasi elemento cellulare del sangue (piastrine, leucociti, eritrociti, monociti e linfociti) e promuovere la crescita dei vasi sanguigni. Una piccola percentuale di cellule staminali emopoietiche può svilupparsi in cellule dei vasi sanguigni e linfatici.
Attualmente, le cellule staminali del sangue del cordone ombelicale vengono spesso utilizzate per il ringiovanimento o il trattamento di varie malattie croniche gravi. Inoltre, molte donne decidono di raccogliere il sangue cordonale e isolare le cellule staminali per conservarle ulteriormente in una criobanca in modo da poter utilizzare il materiale finito, se necessario.
Classificazione più comunemente utilizzata delle cellule staminali
A seconda della potenza si distinguono i seguenti tipi di cellule staminali:- Cellule staminali embrionali (hanno totipotenza e sono ottenute da ovuli fecondati artificialmente coltivati in provetta fino al periodo richiesto);
- Cellule staminali fetali (possiedono multipotenza e sono ottenute da materiale abortivo);
- Cellule staminali adulte (hanno multipotenza e sono ottenute dal sangue del cordone ombelicale o dal midollo osseo di un adulto o di un bambino).
- Cellule staminali emopoietiche (sono i precursori di assolutamente tutte le cellule del sangue vascolare);
- Cellule staminali mesenchimali (sono i precursori di tutte le cellule degli organi interni e dei muscoli scheletrici);
- Cellule staminali del tessuto connettivo (sono i precursori delle cellule della pelle, delle ossa, del grasso, della cartilagine, dei legamenti, delle articolazioni e dei vasi sanguigni);
- Cellule staminali neurogeniche (sono i precursori di assolutamente tutte le cellule legate al sistema nervoso).
Ottenere cellule staminali
Le fonti per ottenere cellule staminali sono i seguenti substrati biologici:
- Sangue del cordone ombelicale di un neonato;
- Midollo osseo di un bambino o di un adulto;
- Sangue periferico (da una vena) dopo stimolazione speciale;
- Materiale abortivo ottenuto da donne alla 2-12a settimana di gravidanza;
- Feti tra la 18a e la 22a settimana di gravidanza morti a causa di parto prematuro, aborto tardivo o aborto per motivi sociali;
- Tessuti di persone sane recentemente decedute (ad esempio, morte avvenuta a seguito di lesioni, ecc.);
- Tessuto adiposo di un adulto o di un bambino;
- Fecondazione di un ovulo in vitro da parte di uno spermatozoo per formare uno zigote.
Le cellule staminali vengono ottenute dal cordone ombelicale e dal sangue periferico, nonché dal midollo osseo, utilizzando gli stessi metodi. Per ottenerli si preleva innanzitutto il midollo osseo (da 20 a 200 ml) durante la puntura dell'ileo negli adulti o dello sterno nei bambini. Il prelievo di sangue periferico da una vena avviene allo stesso modo di una trasfusione. E il sangue del cordone ombelicale viene semplicemente raccolto in una provetta sterile proprio nell'ospedale di maternità, posizionandolo sotto il cordone ombelicale tagliato del bambino.
Il sangue o il midollo osseo vengono quindi trasportati in un laboratorio, dove le cellule staminali vengono isolate utilizzando uno dei due metodi possibili. La separazione in gradiente di densità con ficoll-urografina viene spesso utilizzata. Per fare questo, versare uno strato di Ficoll in una provetta, quindi versarvi sopra con cura l'urografin in modo che le soluzioni non si mescolino. Infine, anche il sangue o il midollo osseo vengono accuratamente stratificati sulla superficie dell'urografin, cercando di garantire che siano minimamente miscelati con le due soluzioni precedenti. La provetta viene quindi centrifugata in una centrifuga ad alta velocità di almeno 8.000 giri al minuto, ottenendo un sottile anello di cellule staminali compattate e concentrate all'interfaccia tra le fasi Ficoll e urografin. Questo anello viene accuratamente raccolto con una pipetta in un'altra provetta sterile. Quindi viene versato un mezzo nutritivo e centrifugato più volte in una centrifuga per rimuovere tutte le cellule non staminali che entrano accidentalmente nell'anello. Le cellule staminali pronte vengono poste in un mezzo nutritivo per un'ulteriore crescita (coltivazione), oppure congelate in azoto liquido per la conservazione a lungo termine, oppure diluite in una soluzione fisiologica e iniettate in una persona sottoposta a terapia cellulare.
Un secondo metodo, meno comune, per ottenere cellule staminali è quello di trattare il sangue o il midollo osseo con un tampone di lisi. Il tampone di lisi è una soluzione speciale con concentrazioni di sali rigorosamente selezionate che causano la morte di tutte le cellule tranne le cellule staminali. Per isolare le cellule staminali, il sangue o il midollo osseo vengono mescolati con il tampone di lisi e lasciati per 15-30 minuti, dopodiché vengono centrifugati. La pallina raccolta sul fondo della provetta sono le cellule staminali. Tutto il liquido sopra la palla di cellule viene drenato, il mezzo nutritivo viene versato nella provetta e svitato più volte in una centrifuga per rimuovere tutte le cellule non necessarie che entrano accidentalmente. Le cellule staminali pronte vengono utilizzate allo stesso modo di quelle ottenute mediante separazione in gradiente di densità ficoll-urografin.
Ottenere cellule staminali da materiale abortivo, tessuti da persone decedute o grasso da adulti o bambini vivi è una procedura più laboriosa che viene utilizzata solo da laboratori o istituzioni scientifiche ben attrezzati. Durante l'isolamento delle cellule, il materiale viene trattato con speciali enzimi che distruggono l'integrità dei tessuti e li trasformano in una massa amorfa. Questa massa viene trattata in parti con tampone di lisi e poi le cellule staminali vengono isolate come dal sangue o dal midollo osseo.
Ottenere cellule staminali da feti tra la 18a e la 22a settimana di gravidanza è altrettanto facile che dal sangue o dal midollo osseo. Il fatto è che le cellule staminali in questo caso non vengono ottenute dall'intero feto, ma solo dal fegato, dalla milza o dal cervello. I tessuti degli organi vengono frantumati meccanicamente e poi sciolti in una soluzione fisiologica o in un mezzo nutritivo. Le cellule staminali vengono quindi ottenute utilizzando il tampone di lisi o la separazione in gradiente di densità ficoll-urografin.
L'ottenimento di cellule staminali mediante la fecondazione di un ovulo viene utilizzato solo nelle istituzioni scientifiche. Questo metodo è disponibile solo per scienziati altamente qualificati: biologi cellulari. Questo è solitamente il modo in cui si ottengono cellule staminali embrionali per la ricerca sperimentale. E gli ovuli e lo sperma vengono prelevati da donne e uomini sani che accettano di diventare donatori. Per tale donazione, le istituzioni scientifiche pagano una ricompensa molto significativa - almeno 3-4 mila dollari per una porzione dello sperma di un uomo e diversi ovuli di una donna, che possono essere raccolti durante una puntura ovarica.
Coltivazione di cellule staminali
Il termine cellule staminali “in crescita” non è del tutto corretto, ma può essere utilizzato nel linguaggio quotidiano. Gli scienziati usano solitamente il termine "coltura di cellule staminali" per descrivere questa procedura. La coltivazione o la crescita delle cellule staminali è il processo di mantenimento della loro vita in soluzioni speciali contenenti sostanze nutritive (mezzi nutritivi). Durante la coltivazione, il numero di cellule staminali aumenta gradualmente, per cui ogni 3 settimane il contenuto di una bottiglia con un mezzo nutritivo viene diviso in 2 o 3. Tale coltivazione di cellule staminali può essere effettuata per tutto il tempo desiderato se siano disponibili le attrezzature e i mezzi nutritivi necessari. Tuttavia, in pratica, le cellule staminali non possono essere moltiplicate in un gran numero, poiché molto spesso vengono infettate da vari microbi patogeni che entrano accidentalmente nell'aria della stanza del laboratorio. Tali cellule staminali infette non possono più essere utilizzate o coltivate e vengono semplicemente gettate via.
Va ricordato che la crescita delle cellule staminali significa solo un aumento del loro numero. È impossibile coltivare cellule staminali da cellule non staminali.
In genere, le cellule staminali vengono coltivate finché il loro numero non è sufficiente per eseguire un'iniezione terapeutica o un esperimento. Le cellule possono anche essere coltivate in azoto liquido prima del congelamento per garantire una fornitura maggiore.
Separatamente, vale la pena menzionare la coltivazione speciale delle cellule staminali, quando al mezzo nutritivo vengono aggiunti vari composti che promuovono la differenziazione in un certo tipo di cellula, ad esempio cardiomiociti o epatociti, ecc.
Utilizzo delle cellule staminali
Attualmente, l'uso delle cellule staminali è suddiviso in tre aree: ricerca sperimentale, trattamento di varie malattie e ringiovanimento. Inoltre, il campo della ricerca sperimentale occupa almeno il 90% del totale dell’utilizzo delle cellule staminali. Nel corso degli esperimenti, i biologi stanno studiando la possibilità di riprogrammare ed espandere la potenza delle cellule, i metodi per trasformarli in varie cellule specializzate di vari organi, i metodi per far crescere interi organi, ecc. Nel campo sperimentale dell'uso delle cellule staminali, i progressi stanno procedendo a passi da gigante, poiché gli scienziati segnalano ogni giorno nuovi risultati. Pertanto, dalle cellule staminali sono già stati ottenuti un cuore e un fegato normalmente funzionanti. È vero, non è stato provato a trapiantare questi organi in nessuno, ma ciò accadrà nel prossimo futuro. In questo modo verrà risolto il problema dei donatori di organi per le persone che necessitano di trapianto. L’uso di valvole vascolari e cardiache coltivate da cellule staminali per le protesi è già una realtà.L'utilizzo delle cellule staminali per il trattamento di varie malattie viene effettuato in studi clinici limitati, in cui al paziente viene offerta questa opzione e vengono spiegati quali benefici e rischi ciò può comportare. Di solito, le cellule staminali vengono utilizzate solo per il trattamento di malattie gravi, croniche e incurabili con altri metodi, quando non c'è praticamente alcuna possibilità di sopravvivenza e anche un leggero miglioramento della condizione. Attraverso questi studi clinici, i medici sono in grado di vedere quali sono gli effetti delle cellule staminali e quali effetti collaterali può causare il loro utilizzo. Sulla base dei risultati delle osservazioni, vengono sviluppati i protocolli clinici più sicuri ed efficaci, che prescrivono i dosaggi raccomandati di cellule staminali (quantità totale somministrata in pezzi), i luoghi e le modalità di somministrazione, nonché i tempi ottimali della terapia e gli effetti attesi .
Ai fini del ringiovanimento, le cellule staminali possono essere iniettate nel tessuto sottocutaneo o nelle strutture cutanee, nonché per via endovenosa. Questo utilizzo delle cellule staminali permette di ridurre i segni visibili dei cambiamenti legati all’età per un certo periodo di tempo. Per mantenere un effetto a lungo termine, le cellule staminali dovranno essere somministrate periodicamente a intervalli selezionati individualmente. In linea di principio, questa manipolazione, se eseguita correttamente, è sicura.
Trattamento con cellule staminali di varie malattie - principi generali ed effetti
Per trattare varie malattie, vengono spesso utilizzate cellule staminali ottenute dal midollo osseo del paziente. Per fare ciò, innanzitutto, durante una puntura, viene prelevato il volume richiesto di midollo osseo (da 20 ml a 200 ml), da cui vengono isolate le cellule staminali in un laboratorio specializzato. Se non ce ne sono abbastanza, la coltivazione viene eseguita fino a quando le cellule non si moltiplicano al numero richiesto. Questo viene fatto anche se si prevede di effettuare diverse iniezioni di cellule staminali durante il corso del trattamento. La coltivazione consente di ottenere il numero richiesto di cellule staminali senza ripetute punture di midollo osseo. Inoltre, vengono spesso utilizzate cellule staminali provenienti dal midollo osseo di un donatore, che di solito è un consanguineo. In questo caso, per eliminare il rischio di rigetto, prima di introdurre le cellule, queste vengono coltivate in un mezzo nutritivo per almeno 21 giorni. Tale coltivazione a lungo termine porta alla perdita dei singoli antigeni e le cellule non causeranno più una reazione di rigetto.
Le cellule staminali epatiche vengono utilizzate meno frequentemente perché devono essere acquistate. Molto spesso, questo tipo di cellula viene utilizzato per il ringiovanimento.
Le cellule staminali già pronte vengono introdotte nel corpo in vari modi. Inoltre, l'introduzione delle cellule staminali si chiama trapianto, e viene effettuato con modalità diverse a seconda della malattia. Pertanto, nel morbo di Alzheimer, le cellule staminali vengono trapiantate nel liquido cerebrospinale mediante una puntura lombare. Per le malattie degli organi interni, le cellule vengono trapiantate nei seguenti modi principali:
- Iniezione endovenosa di cellule staminali diluite in una soluzione salina sterile;
- Introduzione di cellule staminali nei vasi dell'organo interessato utilizzando attrezzature speciali;
- Iniezione di cellule staminali direttamente nell'organo interessato durante l'intervento chirurgico;
- Iniezione di cellule staminali per via intramuscolare in prossimità dell'organo interessato;
- Iniezione di cellule staminali per via sottocutanea o intradermica.
La terapia cellulare (trattamento con cellule staminali) porta in tutti i casi a un miglioramento delle condizioni di una persona, ripristina parzialmente le funzioni perse, migliora la qualità della vita e riduce il tasso di progressione della malattia e le complicanze.
Va però ricordato che il trattamento con cellule staminali non è una panacea; non può guarire completamente né annullare la terapia tradizionale. Allo stato attuale dello sviluppo scientifico, le cellule staminali possono essere utilizzate solo come complemento alla terapia tradizionale. Un giorno potrebbe essere possibile sviluppare trattamenti utilizzando solo le cellule staminali, ma per ora questo è un sogno. Pertanto, quando si decide di utilizzare le cellule staminali, ricordare che non è possibile annullare tutte le altre terapie per una grave malattia cronica. Il trapianto di cellule migliorerà solo la condizione e aumenterà l’efficacia della terapia tradizionale.
Trattamento con cellule staminali: principali problemi - video
Cellule staminali: storia della scoperta, tipi, ruolo nel corpo, caratteristiche di produzione e trattamento - video
Banca di cellule staminali
Una banca di cellule staminali è un laboratorio specializzato dotato di attrezzature per la loro produzione e conservazione a lungo termine in azoto liquido. Nelle banche di cellule staminali è possibile conservare il sangue cordonale o le proprie cellule rimaste dopo qualche tipo di manipolazione. Ogni banca di cellule staminali ha i propri prezzi per i servizi, che possono variare in modo significativo. Tuttavia, si consiglia di scegliere tale organizzazione non in base al listino prezzi, ma in base alla professionalità dei dipendenti e al grado di attrezzatura.Attualmente, in quasi tutte le principali città della Russia esistono banche simili che offrono i loro servizi a persone fisiche e giuridiche.
Prima dell'uso, è necessario consultare uno specialista.Già oggi le tecnologie per la coltivazione di nuovi organi sono ampiamente utilizzate in medicina e consentono di sviluppare nuovi metodi per studiare il sistema immunitario e varie malattie, oltre a ridurre la necessità di trapianti. I pazienti sottoposti a trapianto d'organo necessitano di grandi quantità di farmaci tossici per sopprimere il loro sistema immunitario; in caso contrario, il loro corpo potrebbe rigettare l'organo trapiantato. Tuttavia, grazie ai progressi nell’ingegneria dei tessuti, i trapianti di organi potrebbero diventare un ricordo del passato. Utilizzando le cellule dei pazienti stessi come materiale per coltivare nuovi tipi di tessuti in laboratorio, gli scienziati stanno scoprendo nuove tecnologie per creare organi umani.
La coltivazione di organi è una promettente tecnologia di bioingegneria, il cui obiettivo è creare vari organi biologici vitali a tutti gli effetti per gli esseri umani. La tecnologia non è stata ancora utilizzata sugli esseri umani.
La creazione di organi è diventata possibile poco più di 10 anni fa grazie allo sviluppo delle tecnologie di bioingegneria. Le cellule staminali prelevate dal paziente vengono utilizzate per la coltivazione. La tecnologia IPC (cellule pluripotenti indotte) recentemente sviluppata consente di riprogrammare le cellule staminali adulte in modo che possano diventare qualsiasi organo.
La crescita degli organi o dei tessuti umani può essere interna o esterna (in provette).
Lo scienziato più famoso in questo campo è Anthony Atala, riconosciuto Dottore dell'anno 2011, capo del laboratorio del Wake City Institute of Regenerative Medicine (USA). È stato sotto la sua guida che 12 anni fa è stato creato il primo organo artificiale, la vescica. Innanzitutto, Atala e i suoi colleghi hanno creato una matrice artificiale partendo da materiali biocompatibili. Poi hanno prelevato cellule staminali vescicali sane dal paziente e le hanno trasferite su un telaio: alcune dall'interno, altre dall'esterno. Dopo 6-8 settimane l'organo era pronto per il trapianto.
"Mi è stato insegnato che le cellule nervose non si rigenerano", ha ricordato in seguito Atala. - Quanto siamo rimasti stupiti quando abbiamo osservato come la vescica da noi trapiantata fosse ricoperta da una rete di cellule nervose! Ciò significava che avrebbe, come dovrebbe, comunicato con il cervello e avrebbe funzionato come tutte le persone sane. È sorprendente quante verità che sembravano incrollabili solo 20 anni fa siano state confutate, e ora le porte verso il futuro sono aperte per noi”.
Per creare una matrice, un donatore o tessuti artificiali, vengono utilizzati anche nanotubi di carbonio e filamenti di DNA. Ad esempio, la pelle cresciuta su un telaio fatto di nanotubi di carbonio è decine di volte più resistente dell'acciaio: invulnerabile, come Superman. Non è chiaro come un chirurgo, ad esempio, possa lavorare con una persona del genere. La pelle su un telaio fatto di seta di ragno (anch'essa più resistente dell'acciaio) è già stata coltivata. È vero, la persona non è stata ancora trapiantata.
E forse la tecnologia più avanzata è la stampa degli organi. È stato inventato dallo stesso Atala. Il metodo è adatto per gli organi solidi ed è particolarmente indicato per quelli tubolari. Per i primi esperimenti abbiamo utilizzato una normale stampante a getto d'inchiostro. Più tardi, ovviamente, ne hanno inventato uno speciale.
Il principio è semplice, come ogni cosa geniale. Invece di inchiostro di diversi colori, le cartucce sono riempite con sospensioni di diversi tipi di cellule staminali. Il computer calcola la struttura dell'organo e imposta la modalità di stampa. Ovviamente è più complessa della stampa convenzionale su carta; ha molti, molti strati. Grazie a loro, viene creato il volume. Quindi tutto dovrebbe crescere insieme. È già stato possibile “stampare” i vasi sanguigni, compresi quelli con ramificazioni complesse.
Pelle e cartilagine. Sono i più facili da coltivare: bastava imparare a riprodurre le cellule della pelle e della cartilagine all'esterno del corpo. La cartilagine viene trapiantata da circa 16 anni; è un'operazione abbastanza comune.
Vasi sanguigni. Coltivarli è un po’ più difficile che coltivare la pelle. Dopotutto, è un organo tubolare costituito da due tipi di cellule: alcune rivestono la superficie interna, mentre altre formano le pareti esterne. I giapponesi furono i primi a far crescere i vasi sanguigni sotto la guida del professor Kazuwa Nakao della Facoltà di Medicina dell’Università di Kyoto nel 2004. Poco dopo, nel 2006, la direttrice dello Stem Cell Institute dell'Università del Minnesota a Minneapolis (USA), Catherine Verfeil, ha dimostrato la crescita delle cellule muscolari.
Cuore. Sedici bambini in Germania hanno già ricevuto valvole cardiache coltivate su un'impalcatura di cuore di maiale. Due bambini convivono con queste valvole da 8 anni e le valvole crescono insieme al cuore! Un gruppo di scienziati americano-Hong Kong promette di iniziare a trapiantare “cerotti” per il cuore dopo un infarto tra 5 anni, e un team inglese di bioingegneri prevede di trapiantare un cuore completamente nuovo tra 10 anni.
Reni, fegato, pancreas. Come il cuore, questi sono i cosiddetti organi solidi. Hanno la più alta densità cellulare, il che li rende i più difficili da coltivare. La domanda principale è già stata risolta: come far sì che le cellule coltivate assomiglino alla forma di un fegato o di un rene? Per fare ciò, prendono una matrice a forma di organo, la mettono in un bioreattore e la riempiono di cellule.
Vescia. Il primo vero “organo a provetta”. Oggi, diverse decine di americani sono già stati sottoposti ad operazioni per far crescere e trapiantare la loro “nuova” vescica.
Mascella superiore. Gli specialisti dell'Istituto di medicina rigenerativa dell'Università di Tampere (Finlandia) sono riusciti a far crescere la mascella superiore di una persona... nella sua cavità addominale. Hanno trasferito le cellule staminali su una matrice artificiale di fosfato di calcio e le hanno cucite nello stomaco dell'uomo. Dopo 9 mesi la mascella è stata rimossa e sostituita con quella originale, rimossa a causa di un tumore.
Retina dell'occhio, tessuto nervoso del cervello. Sono stati compiuti notevoli progressi, ma è troppo presto per parlare di risultati significativi.
Migliorare la salute umana, salvare vite umane, aumentarne la durata: questi problemi erano, sono e saranno i più urgenti per l'umanità. Ecco perché il tema della crescita organi artificiali in Russia nel 2018 occupa le menti degli scienziati russi, è all’ordine del giorno del Ministero della Salute ed è ampiamente discusso nei media.
È una grande speranza che il ramo della medicina scientifica – le tecnologie di bioingegneria – abbia finalmente una base legislativa completa. Ciò ci consentirà di impegnarci nello sviluppo, condurre studi preclinici e clinici e utilizzare praticamente prodotti cellulari, guidati e basati sul quadro normativo.
Legge sui prodotti cellulari biomedici
La cosa principale per scienziati e medici è che in Russia, nel gennaio 2017, è entrata in vigore la legge “Sui prodotti cellulari biomedici”.
È stato sviluppato come parte dell'attuazione della strategia per lo sviluppo della scienza nella Federazione Russa fino al 2025 e mira a regolare le relazioni in relazione allo sviluppo, alla ricerca, alla registrazione, alla produzione e al controllo di qualità e all'uso di prodotti biologici cellulari medici (BMCP) nella pratica medica.
Questa legge fornirà anche una base legislativa per la creazione di una nuova industria nel settore sanitario che, attraverso la produzione e l'utilizzo di un prodotto cellulare, risolverà i problemi di ripristino delle funzioni e delle strutture dei tessuti del corpo umano danneggiati da malattie, lesioni e disturbi durante lo sviluppo intrauterino.
Lo scopo principale della legge federale è quello di consolidare una regolamentazione separata delle attività legate alla circolazione del BMCP, che fino a poco tempo fa era frammentata, incompleta e in gran parte illegale.
Ora le organizzazioni e le imprese che commerciavano illegalmente prodotti biologici sono paralizzate. Per questo motivo si è incontrata resistenza all'adozione della legge e sono stati creati molti ostacoli. Le conseguenze negative dell'adozione della legge saranno avvertite solo da coloro che hanno svolto attività nel campo dell'utilizzo illegale di materiale cellulare, cioè hanno violato la legge.
Per l'industria nel suo complesso, la legge offre modalità civili di sviluppo, maggiori opportunità e per i pazienti garantisce un prodotto sicuro e di alta qualità.
Una nuova era per la medicina
Insieme alla ricerca e allo sviluppo di metodi efficaci per il trattamento e il ripristino del corpo umano, la medicina russa sta lavorando attivamente alla creazione di organi artificiali. Questo argomento ha cominciato ad essere studiato più di cinquant'anni fa, da quando il metodo di trapianto di organi da donatore è passato dalla teoria alla pratica.
La donazione ha salvato molte vite, ma questo metodo presenta numerosi problemi: carenza di organi donati, incompatibilità, rigetto da parte del sistema immunitario. Pertanto, l’idea di coltivare organi artificiali è stata accolta con entusiasmo dagli scienziati medici di tutto il mondo.
La tecnica di sostituzione del tessuto danneggiato con un prodotto cellulare artificiale introdotto dall’esterno, o attivando le proprie cellule, si basa sulla vitalità della BMCT e sulla capacità di risiedere costantemente nel corpo del paziente. Ciò offre grandi opportunità per un trattamento efficace delle malattie e per salvare molte vite.
Oggi l’uso delle tecnologie di bioingegneria in medicina ha raggiunto risultati significativi. Sono già stati testati metodi per far crescere alcuni organi direttamente nel corpo umano e all'esterno. È possibile far crescere un organo dalle cellule della persona a cui verrà successivamente impiantato.
L'uso di tessuti semplici creati artificialmente sta già avendo luogo nella pratica clinica. Secondo Yuri Sukhanov, direttore esecutivo dell'Associazione degli esperti in tecnologie cellulari biomediche e medicina rigenerativa, gli scienziati russi hanno preparato una serie di prodotti importanti e necessari da testare.
“Si tratta di vaccini antitumorali basati su cellule umane viventi, farmaci per il trattamento del diabete che utilizzano cellule produttrici di insulina che verranno impiantate nel paziente. Certo, pelle: ustioni, ferite, piede diabetico. Cresce da cellule di cartilagine, pelle, cornea, uretra. E, naturalmente, i vaccini cellulari sono la cosa più interessante ed efficace che esista oggi”, ha osservato Yuri Sukhanov.
Gli scienziati russi hanno creato un fegato artificiale e hanno condotto test preclinici del prodotto sugli animali, che hanno mostrato ottimi risultati. Un elemento dell'organo cresciuto è stato impiantato nel tessuto epatico danneggiato degli animali.
Di conseguenza, le cellule epatiche artificiali hanno favorito la rigenerazione dei tessuti e dopo un po’ l’organo danneggiato è stato completamente ripristinato. Allo stesso tempo, non vi è stato alcun impatto negativo sull’aspettativa di vita dell’animale da esperimento.
La medicina rigenerativa è il nostro futuro, che viene delineato oggi. Le sue possibilità sono colossali. Inoltre, la medicina tradizionale ha raggiunto un certo livello e ora non può offrire metodi efficaci per curare molte malattie pericolose che mietono milioni di vite.
La scienza medica ha bisogno di una rivoluzione, di una svolta potente, che sarà l’arrivo delle tecnologie cellulari. Sconfiggere malattie incurabili, ridurre la durata e i costi del trattamento, rendere accessibile la sostituzione di un organo perduto o non vitale e quindi salvare e prolungare la vita: tutto questo ci viene dato da un nuovo promettente ramo della scienza medica: l'ingegneria dei tessuti.
La legge “sui prodotti cellulari biomedici”, adottata nel 2017, ha iniziato a funzionare pienamente. E ora gli scienziati hanno molte più opportunità per nuove ricerche e scoperte nel campo della tecnologia cellulare e della coltivazione di organi artificiali in Russia.
INTRODUZIONE
L'agricoltura organistica e le sue alternative
Molte malattie, comprese quelle potenzialmente letali, sono associate a disturbi nel funzionamento di un organo specifico (ad esempio insufficienza renale, insufficienza cardiaca, diabete mellito, ecc.). Non in tutti i casi questi disturbi possono essere corretti mediante interventi farmacologici o chirurgici tradizionali.
Esistono diversi modi alternativi per ripristinare la funzione degli organi nei pazienti in caso di danni gravi:
1) Stimolazione dei processi di rigenerazione nel corpo. Oltre agli effetti farmacologici, nella pratica viene utilizzata la procedura di introduzione nel corpo.cellule staminali che hanno la capacità di trasformarsi in cellule funzionali a tutti gli effetti del corpo. Risultati positivi sono già stati ottenuti nel trattamento di un'ampia varietà di malattie utilizzando cellule staminali, comprese le malattie più comuni nella società, come infarti, ictus, malattie neurodegenerative, diabete e altre. Tuttavia, è chiaro che questo metodo di trattamento è applicabile solo per eliminare danni agli organi relativamente minori.
2) Ricostituzione delle funzioni d'organo mediante dispositivi di origine non biologica. Possono trattarsi di dispositivi di grandi dimensioni ai quali i pazienti vengono collegati per un certo tempo (ad esempio, macchine per emodialisi per insufficienza renale). Esistono anche modelli di dispositivi indossabili, ovvero dispositivi impiantati all'interno del corpo (ci sono opzioni per farlo, lasciando l'organo del paziente, tuttavia, a volte viene rimosso e il dispositivo assume completamente le sue funzioni, come nel caso dell'utilizzo un cuore artificialeAbioCor). In alcuni casi, tali dispositivi vengono utilizzati in attesa che l'organo donatore richiesto sia disponibile. Finora, gli analoghi non biologici sono significativamente inferiori in termini di perfezione agli organi naturali.
3) Utilizzo di organi da donatori. Gli organi donati, trapiantati da una persona all'altra, sono già ampiamente utilizzati, e talvolta con successo, nella pratica clinica. Tuttavia, questa direzione deve affrontare una serie di problemi, come una grave carenza di organi da donatori, il problema della reazione di rigetto di un organo estraneo da parte del sistema immunitario, ecc. Sono già stati fatti tentativi di trapiantare organi animali nell'uomo (questo si chiama xenotrapianto), ma finora il successo nell’utilizzo di questo metodo è modesto e non è stato implementato nella pratica. Tuttavia, sono in corso ricerche per migliorare l’efficienza degli xenotrapianti, ad esempio attraverso la modificazione genetica.
4) Organi in crescita. Gli organi possono essere coltivati artificialmente sia nel corpo umano che all'esterno del corpo. In alcuni casi è possibile far crescere un organo dalle cellule della persona a cui verrà trapiantato. Sono stati sviluppati numerosi metodi per coltivare organi biologici, ad esempio utilizzando dispositivi speciali che funzionano secondo il principio di una stampante 3D. La direzione in esame include una proposta sulla possibilità di crescere, di sostituire un corpo umano danneggiato con un cervello preservato, un organismo che si sviluppa in modo indipendente, un clone - una “pianta” (con la capacità di pensare disabile).
Tra le quattro opzioni elencate per risolvere il problema dell'insufficienza d'organo, la loro coltivazione può essere il modo più naturale per il corpo di riprendersi da gravi danni.
Questo testo fornisce informazioni sui progressi esistenti nella coltivazione di organi biologici.
RISULTATI E PROSPETTIVE DI CRESCITA E LAVORI INDIVIDUALI
D L I N U D M E D I C I N S
Crescita dei tessuti
La coltivazione di tessuti semplici è una tecnologia che già esiste e viene utilizzata nella pratica.
Pelle
Il ripristino delle aree cutanee danneggiate fa già parte della pratica clinica. In alcuni casi, vengono utilizzati metodi per rigenerare la pelle della persona stessa, ad esempio una vittima di ustioni, attraverso influenze speciali. Questo è, ad esempio, sviluppato da R.R. Hyamatrix in materiale bioplastico Rakhmatullin 1 , o biocol 2 , sviluppato da un team guidato da B.K. Gavrilyuk. Speciali idrogel vengono utilizzati anche per far crescere la pelle nel sito dell'ustione. 3 .
Sono inoltre in fase di sviluppo metodi per stampare frammenti di tessuto cutaneo utilizzando stampanti speciali. La creazione di tali tecnologie viene effettuata, ad esempio, dagli sviluppatori dei centri americani di medicina rigenerativa AFIRM 4 e WFIRM 5 .
Il dottor Jorg Gerlach e colleghi dell'Istituto di medicina rigenerativa dell'Università di Pittsburgh hanno inventato un dispositivo per l'innesto cutaneo che aiuterà le persone a guarire più velocemente da ustioni di varia gravità. Skin Gun spruzza una soluzione contenente le cellule staminali della vittima sulla pelle danneggiata della vittima. Al momento il nuovo metodo di trattamento è in fase sperimentale, ma i risultati sono già impressionanti: gravi ustioni guariscono in appena un paio di giorni. 6
Ossa
Un gruppo di ricercatori della Columbia University guidati da Gordana Vunjak-Novakovic ha ottenuto un frammento osseo simile a parte dell'articolazione temporo-mandibolare da cellule staminali seminate su un'impalcatura. 7
Scienziati della società israeliana Bonus Biogroup 8 (Fondatore e CEO - Shai Meretzky,ShaiMeretzki) stanno sviluppando metodi per far crescere l'osso umano dal tessuto adiposo di un paziente ottenuto mediante liposuzione. L'osso così cresciuto è già stato trapiantato con successo nella zampa di un ratto.
Denti
Scienziati italiani daUniversitàDiUdineè stato in grado di dimostrare che una popolazione di cellule staminali mesenchimali è ottenuta da una singola cellula del tessuto adiposoin vitroanche in assenza di una matrice strutturale o di un supporto specifico, può essere differenziato in una struttura simile a un germe di dente. 9
All'Università di Tokyo, gli scienziati hanno coltivato denti veri e propri con ossa dentali e fibre connettive da cellule staminali di topo e li hanno trapiantati con successo nelle mascelle degli animali. 10
Cartilagine
Gli specialisti del Columbia University Medical Center, guidati da Jeremy Mao, sono riusciti a ripristinare la cartilagine articolare dei conigli.
Innanzitutto, i ricercatori hanno rimosso il tessuto cartilagineo dell'articolazione della spalla dell'animale, nonché lo strato sottostante di tessuto osseo. Quindi ha posizionato impalcature di collagene al posto dei tessuti rimossi.
Negli animali le cui impalcature contenevano il fattore di crescita trasformante, una proteina che controlla la differenziazione e la crescita cellulare, il tessuto osseo e cartilagineo dell'omero si riformava e il movimento nell'articolazione veniva completamente ripristinato. 11
Un gruppo di scienziati americani dell'Università del Texas ad Austin è riuscito a fare progressi nella creazione di tessuto cartilagineo con proprietà meccaniche e composizione della matrice extracellulare che varia in diverse aree. 12
Nel 1997, il chirurgo Jay Vscanti del Massachusetts General Hospital di Boston è riuscito a far crescere un orecchio umano sul dorso di un topo utilizzando cellule cartilaginee. 13
I medici della Johns Hopkins University hanno rimosso un orecchio affetto da tumore e parte dell'osso del cranio da una donna di 42 anni affetta da cancro. Utilizzando il tessuto cartilagineo del torace, della pelle e dei vasi sanguigni di altre parti del corpo della paziente, hanno fatto crescere un orecchio artificiale sul suo braccio e poi lo hanno trapiantato nel posto giusto. 14
Navi
I ricercatori del gruppo del professor Ying Zheng hanno coltivato vasi a tutti gli effetti in laboratorio, imparando a controllarne la crescita e a formare strutture complesse da essi. I vasi si ramificano e reagiscono normalmente alle sostanze costrittive, trasportando il sangue anche attraverso angoli acuti. 15
Gli scienziati guidati dalla presidente della Rice University Jennifer West e dalla fisiologa molecolare del Baylor College of Medicine (BCM) Mary Dickinson hanno trovato un modo per far crescere i vasi sanguigni, compresi i capillari, utilizzando il materiale di base è il polietilenglicole (PEG), una plastica non tossica. Gli scienziati hanno modificato il PEG per imitare la matrice extracellulare del corpo.
Lo hanno poi combinato con due tipi di cellule necessarie per formare i vasi sanguigni. Utilizzando la luce per trasformare i filamenti polimerici PEG in un gel tridimensionale, hanno creato un idrogel morbido contenente cellule viventi e fattori di crescita. Di conseguenza, gli scienziati hanno potuto osservare come le cellule formano lentamente i capillari in tutto il gel.
Per testare le nuove reti di vasi sanguigni, gli scienziati hanno impiantato idrogel nelle cornee dei topi, dove non esiste un apporto sanguigno naturale. L'introduzione del colorante nel sangue degli animali ha confermato l'esistenza di un normale flusso sanguigno nei capillari appena formati. 16
I medici svedesi dell'Università di Göteborg, guidati dalla professoressa Suchitra Sumitran-Holgersson, hanno eseguito la prima operazione al mondo per trapiantare una vena cresciuta dalle cellule staminali di un paziente. 17
Una sezione della vena iliaca lunga circa 9 centimetri, ottenuta da un donatore deceduto, è stata ripulita dalle cellule del donatore. Le cellule staminali della ragazza sono state collocate all'interno della struttura proteica rimanente. Due settimane dopo, è stata eseguita un'operazione per trapiantare una vena in cui crescevano muscoli lisci ed endotelio.
È passato più di un anno dall’operazione, nel sangue del paziente non sono stati rilevati anticorpi contro il trapianto e il benessere del bambino è migliorato.
Muscoli
I ricercatori del Worcester Polytechnic Institute (USA) hanno riparato con successo una grande ferita muscolare nei topi facendo crescere e impiantando microfili costituiti dal polimero proteico fibrina, ricoperti da uno strato di cellule muscolari umane. 18
Scienziati israeliani del Technion-Israel Institute of Technology stanno studiando il necessario grado di vascolarizzazione e organizzazione dei tessuti in vitro, che consente di migliorare la sopravvivenza e l'integrazione di un impianto muscolare vascolarizzato mediante ingegneria tessutale nel corpo del ricevente. 19
Sangue
I ricercatori dell’Università Pierre e Marie Curie di Parigi, guidati da Luc Douay, hanno testato con successo per la prima volta al mondo il sangue artificiale coltivato da cellule staminali su volontari umani.
Ciascuno dei partecipanti all'esperimento ha ricevuto 10 miliardi di globuli rossi, che equivalgono a circa due millilitri di sangue. I livelli di sopravvivenza delle cellule risultanti erano paragonabili a quelli dei globuli rossi convenzionali. 20
Midollo osseo
Midollo osseo artificiale destinato alla produzioneInvitrocellule del sangue, è stato creato per la prima volta con successo dai ricercatori del Laboratorio di ingegneria chimica dell'Università del Michigan (UniversitàDiMichigan) sotto la guida di Nikolai Kotov (NicolaKotov). Con il suo aiuto è già possibile ottenere cellule staminali ematopoietiche e linfociti B, cellule del sistema immunitario che producono anticorpi. 21
Crescita di organi complessi
Vescia.
Il dottor Anthony Atala e i suoi colleghi dell'Università americana di Wake Forest (Wake Forest University) stanno coltivando vesciche dalle cellule dei pazienti e le trapiantano nei pazienti. 22 Selezionarono diversi pazienti e prelevarono da loro biopsie della vescica: campioni di fibre muscolari e cellule uroteliali. Queste cellule si moltiplicavano per sette-otto settimane in piastre di Petri su una base a forma di bolla. Quindi gli organi cresciuti in questo modo venivano cuciti nei corpi dei pazienti. Le osservazioni dei pazienti per diversi anni hanno dimostrato che gli organi funzionavano bene, senza gli effetti negativi caratteristici dei metodi di trattamento più vecchi. In effetti, questa è la prima volta che un organo abbastanza complesso, piuttosto che tessuti semplici come la pelle e le ossa, viene coltivato artificialmente.Invitroe trapiantato nel corpo umano. Questo team sta anche sviluppando metodi per far crescere altri tessuti e organi.
Trachea.
I chirurghi spagnoli hanno eseguito il primo trapianto di trachea al mondo, coltivata dalle cellule staminali di una paziente, la 30enne Claudia Castillo. L'organo è stato coltivato presso l'Università di Bristol utilizzando un'impalcatura in fibra di collagene del donatore. L'intervento è stato eseguito dal professor Paolo Macchiarini dell'Hospital Clínic de Barcelona. 23
Il professor Macchiarini collabora attivamente con ricercatori russi, che hanno permesso di eseguire le prime operazioni di trapianto di trachea cresciuta in Russia. 24
Reni
Advanced Cell Technology nel 2002 ha riportato il successo della coltivazione di un rene completo da una singola cellula prelevata dall'orecchio di una mucca utilizzando la tecnologia di clonazione per ottenere cellule staminali. Utilizzando una sostanza speciale, le cellule staminali sono state trasformate in cellule renali.
Il tessuto è stato coltivato su un'impalcatura di materiale autodistruttivo creata alla Harvard Medical School e a forma di rene normale.
I reni risultanti, lunghi circa 5 cm, sono stati impiantati in una mucca vicino agli organi principali. Di conseguenza, il rene artificiale ha iniziato con successo a produrre urina. 25
Fegato
Gli specialisti americani del Massachusetts General Hospital, guidati da Korkut Uygun, hanno trapiantato con successo in diversi ratti fegati coltivati in laboratorio dalle loro stesse cellule.
I ricercatori hanno rimosso il fegato di cinque ratti da laboratorio e li hanno liberati dalle cellule ospiti, ottenendo così impalcature di tessuto connettivo per gli organi. I ricercatori hanno poi iniettato circa 50 milioni di cellule epatiche prelevate dai ratti riceventi in ciascuno dei cinque scaffold risultanti. Nel giro di due settimane, su ciascuno degli scaffold popolati di cellule si è formato un fegato perfettamente funzionante. Gli organi coltivati in laboratorio sono stati poi trapiantati con successo in cinque ratti. 26
Cuore
Gli scienziati del British Haafield Hospital, guidati da Megdi Yacoub, hanno fatto crescere per la prima volta nella storia una parte del cuore, utilizzando le cellule staminali come “materiale da costruzione”. I medici hanno sviluppato tessuti che funzionavano esattamente come le valvole cardiache responsabili del flusso sanguigno negli esseri umani. 27
Gli scienziati dell’Università di Rostock (Germania) hanno utilizzato la tecnologia di stampa cellulare LIFT (Laser-Induced-Forward-Transfer) per produrre un “cerotto” destinato alla rigenerazione del cuore. 28
Polmoni
Scienziati americani dell'Università di Yale, guidati da Laura Niklason, hanno fatto crescere i polmoni in laboratorio (su una matrice extracellulare di un donatore).
La matrice era piena di cellule epiteliali polmonari e del rivestimento interno dei vasi sanguigni prelevati da altri individui. Utilizzando la coltivazione in un bioreattore, i ricercatori sono riusciti a far crescere nuovi polmoni, che sono stati poi trapiantati in diversi ratti.
L'organo ha funzionato normalmente in diversi individui da 45 minuti a due ore dopo il trapianto. Tuttavia, dopo ciò, iniziarono a formarsi coaguli di sangue nei vasi polmonari. Inoltre, i ricercatori hanno registrato una piccola quantità di sangue che fuoriesce nel lume dell'organo. Tuttavia, per la prima volta, i ricercatori sono riusciti a dimostrare il potenziale della medicina rigenerativa per il trapianto polmonare. 29
Intestini
Un gruppo di ricercatori giapponesi della Nara Medical University (NaraMedicoUniversità) sotto la guida di Yoshiyuki Nakajima (YoshiyukiNakajima) sono riusciti a creare un frammento di intestino di topo da cellule staminali pluripotenti indotte.
Le sue caratteristiche funzionali, la struttura dei muscoli e delle cellule nervose corrispondono all'intestino normale. Ad esempio, potrebbe contrarsi per spostare il cibo. 30
Pancreas
I ricercatori del Technion Institute in Israele, lavorando sotto la direzione del professor Shulamit Levenberg, hanno sviluppato un metodo per coltivare tessuto pancreatico contenente cellule secretorie circondate da una rete tridimensionale di vasi sanguigni.
Il trapianto di tale tessuto in topi diabetici ha portato ad una significativa diminuzione dei livelli di glucosio nel sangue negli animali. 31
Timo
Scienziati del Centro sanitario dell'Università del Connecticut(STATI UNITI D'AMERICA)ha sviluppato un metodo per la differenziazione diretta in vitro delle cellule staminali embrionali di topo (ESC) in cellule progenitrici epiteliali del timo (PET), che si sono differenziate in vivo in cellule timiche e hanno ripristinato la sua normale struttura. 32
Prostata
Gli scienziati Pru Cowin, la professoressa Gail Risbridger e la dottoressa Renya Taylor del Monash Institute of Medical Research di Melbourne sono stati i primi a far crescere una prostata umana in un topo utilizzando cellule staminali embrionali. 33
Ovaia
Un team di specialisti guidato da Sandra Carson (SandraCarson) della Brown University è riuscito a far crescere i primi ovociti in un organo creato in laboratorio: il percorso è stato passato dallo stadio di “giovane vescicola di Graaf” alla piena età adulta. 34
Pene, uretra
I ricercatori del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (North Carolina, USA), guidati da Anthony Atala, sono riusciti a far crescere e trapiantare con successo peni nei conigli. Dopo l'operazione, le funzioni del pene furono ripristinate, i conigli fecondarono le femmine e diedero alla luce la prole. 35
Gli scienziati della Wake Forest University di Winston-Salem, nella Carolina del Nord, hanno coltivato l'uretra dai tessuti dei pazienti. Nell'esperimento, hanno aiutato cinque adolescenti a ripristinare l'integrità dei canali danneggiati. 36
Occhi, cornee, retine
I biologi dell'Università di Tokyo hanno impiantato cellule staminali embrionali nell'orbita di una rana da cui era stato rimosso il bulbo oculare. Quindi l'orbita dell'occhio veniva riempita con uno speciale mezzo nutritivo che forniva nutrimento alle cellule. Dopo alcune settimane, le cellule embrionali si sono trasformate in un nuovo bulbo oculare. Inoltre, non solo l'occhio è stato ripristinato, ma anche la vista. Il nuovo bulbo oculare si è fuso con il nervo ottico e le arterie alimentanti, sostituendo completamente il precedente organo della vista. 37
Scienziati dell'Accademia Sahlgrenska in Svezia hanno per la prima volta coltivato con successo cornee umane da cellule staminali. Ciò aiuterà in futuro ad evitare lunghe attese per la cornea di un donatore. 38
I ricercatori dell'Università della California a Irvine, che lavorano sotto la direzione di Hans Kairsted (HansKeirstead), hanno coltivato in laboratorio una retina a otto strati a partire da cellule staminali, che aiuterà nello sviluppo di retine pronte per il trapianto per trattare malattie che accecano come la retinite pigmentosa e la degenerazione maculare. Ora stanno testando la possibilità di trapiantare tale retina in modelli animali. 39
Tessuto nervoso
I ricercatori del RIKEN Center for Developmental Biology, Kobe, in Giappone, guidati da Yoshiki Sasai, hanno sviluppato una tecnica per far crescere la ghiandola pituitaria da cellule staminali,che è stato impiantato con successo nei topi.Gli scienziati hanno risolto il problema della creazione di due tipi di tessuto influenzando le cellule staminali embrionali di topo con sostanze che creano un ambiente simile a quello in cui si forma la ghiandola pituitaria di un embrione in via di sviluppo e assicurano un abbondante apporto di ossigeno alle cellule. Di conseguenza, le cellule formavano una struttura tridimensionale, simile nell’aspetto alla ghiandola pituitaria, contenente un complesso di cellule endocrine che secernono ormoni ipofisari. 40
Gli scienziati del Laboratorio di tecnologie cellulari dell'Accademia medica statale di Nizhny Novgorod sono riusciti a far crescere una rete neurale, in realtà un frammento del cervello. 41
Hanno sviluppato una rete neurale su matrici speciali - substrati multielettrodici, che consentono di registrare l'attività elettrica di questi neuroni in tutte le fasi della crescita.
CONCLUSIONE
L'esame delle pubblicazioni di cui sopra mostra che ci sono già stati progressi significativi nell'uso della coltivazione di organi per curare le persone, non solo i tessuti più semplici, come la pelle e le ossa, ma anche organi piuttosto complessi, come la vescica o la trachea. Le tecnologie per la coltivazione di organi ancora più complessi (cuore, fegato, occhi, ecc.) vengono ancora sperimentate sugli animali. Oltre ad essere utilizzati in trapiantologia, tali organi possono servire, ad esempio, per esperimenti che sostituiscono alcuni esperimenti su animali da laboratorio, o per esigenze artistiche (come fece il già citato J. Vacanti). Ogni anno emergono nuovi risultati nel campo della coltivazione degli organi. Secondo le previsioni degli scienziati, lo sviluppo e l'implementazione di tecniche per la coltivazione di organi complessi è una questione di tempo, ed è molto probabile che nei prossimi decenni la tecnica sarà sviluppata a tal punto che la coltivazione di organi complessi sarà ampiamente diffusa utilizzato in medicina, sostituendo il metodo attualmente più comune di trapianto da donatori.
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