Gli attacchi di cuore e l’insufficienza cardiaca congestizia rimangono tra le sfide sanitarie più importanti della nazione, nonostante molte scoperte nella medicina cardiovascolare. Infatti, nonostante gli approcci di successo per prevenire o limitare le malattie cardiovascolari, il ripristino della funzione del cuore danneggiato rimane una sfida formidabile. La ricerca recente sta fornendo le prime prove che le cellule staminali adulte ed embrionali possono essere in grado di sostituire le cellule danneggiate del muscolo cardiaco e stabilire nuovi vasi sanguigni per rifornirli. Qui sono discusse alcune delle recenti scoperte che presentano strategie di sostituzione delle cellule staminali e di rigenerazione muscolare per riparare il cuore danneggiato.

Introduzione

Per coloro che soffrono di malattie cardiache comuni, ma mortali, la biologia delle cellule staminali rappresenta una nuova frontiera medica. I ricercatori stanno lavorando per utilizzare le cellule staminali per sostituire le cellule cardiache danneggiate e ripristinare letteralmente la funzione cardiaca.

Oggi negli Stati Uniti, l’insufficienza cardiaca congestizia – il pompaggio inefficace del cuore causato dalla perdita o dalla disfunzione delle cellule del muscolo cardiaco – affligge 4,8 milioni di persone, con 400.000 nuovi casi ogni anno. Uno dei principali fattori che contribuiscono allo sviluppo di questa condizione è un attacco di cuore, noto in termini medici come infarto del miocardio, che si verifica in quasi 1,1 milioni di americani ogni anno. È facile riconoscere che i danni al cuore e al sistema circolatorio rappresentano una delle principali cause di morte e di invalidità negli Stati Uniti.

Cosa porta a questi effetti devastanti? La distruzione delle cellule del muscolo cardiaco, note come cardiomiociti, può essere il risultato dell’ipertensione, dell’insufficienza cronica dell’apporto di sangue al muscolo cardiaco causata da una malattia coronarica, o di un attacco cardiaco, la chiusura improvvisa di un vaso sanguigno che fornisce ossigeno al cuore. Nonostante i progressi nelle procedure chirurgiche, nei dispositivi di assistenza meccanica, nella terapia farmacologica e nel trapianto di organi, più della metà dei pazienti con insufficienza cardiaca congestizia muore entro cinque anni dalla diagnosi iniziale. La ricerca ha dimostrato che le terapie come i farmaci anti-coagulo possono ristabilire il flusso di sangue alle regioni danneggiate del cuore e limitare la morte dei cardiomiociti. I ricercatori stanno ora esplorando modi per salvare altre vite utilizzando cellule sostitutive per le cellule morte o danneggiate in modo che il muscolo cardiaco indebolito possa riacquistare la sua potenza di pompaggio.

Come potrebbero le cellule staminali giocare un ruolo nella riparazione del cuore? Per rispondere a questa domanda, i ricercatori stanno costruendo la loro base di conoscenze su come le cellule staminali sono dirette a diventare cellule specializzate. Un importante tipo di cellula che può essere sviluppata è il cardiomiocita, la cellula del muscolo cardiaco che si contrae per espellere il sangue dalla principale camera di pompaggio del cuore (il ventricolo). Altri due tipi di cellule sono importanti per il corretto funzionamento del cuore: la cellula endoteliale vascolare, che forma il rivestimento interno dei nuovi vasi sanguigni, e la cellula muscolare liscia, che forma la parete dei vasi sanguigni. Il cuore ha una grande richiesta di flusso sanguigno, e queste cellule specializzate sono importanti per sviluppare una nuova rete di arterie per portare nutrienti e ossigeno ai cardiomiociti dopo che un cuore è stato danneggiato. La potenziale capacità delle cellule staminali embrionali e adulte di svilupparsi in questi tipi di cellule nel cuore danneggiato viene ora esplorata come parte di una strategia per ripristinare la funzione cardiaca in persone che hanno avuto attacchi di cuore o hanno insufficienza cardiaca congestizia. È importante che il lavoro con le cellule staminali non sia confuso con i recenti rapporti che i miociti cardiaci umani possono subire una divisione cellulare dopo un infarto miocardico. Questo lavoro suggerisce che le cellule cardiache ferite possono passare da uno stato di quiescenza alla divisione cellulare attiva. Questo non è diverso dalla capacità di una serie di altre cellule del corpo che iniziano a dividersi dopo una lesione. Non c’è ancora alcuna prova che ci siano vere cellule staminali nel cuore che possono proliferare e differenziarsi.

I ricercatori ora sanno che in condizioni di crescita altamente specifiche in piatti di coltura di laboratorio, le cellule staminali possono essere convinte a svilupparsi come nuovi cardiomiociti e cellule endoteliali vascolari. Gli scienziati sono interessati a sfruttare questa capacità di fornire tessuto sostitutivo per il cuore danneggiato. Questo approccio ha immensi vantaggi rispetto al trapianto di cuore, in particolare alla luce della scarsità di cuori di donatori disponibili per soddisfare le attuali esigenze di trapianto.

Quali sono le prove che un tale approccio al ripristino della funzione cardiaca potrebbe funzionare? Nel laboratorio di ricerca, i ricercatori spesso usano un modello di topo o ratto di attacco cardiaco per studiare nuove terapie (vedi Figura 9.1. Modello di roditore di infarto miocardico). Per creare un attacco di cuore in un topo o in un ratto, viene posta una legatura intorno a un vaso sanguigno principale che serve il muscolo cardiaco, privando così i cardiomiociti dei loro rifornimenti di ossigeno e nutrienti. Durante lo scorso anno, i ricercatori che utilizzano tali modelli hanno fatto diverse scoperte chiave che hanno acceso l’interesse nell’applicazione delle cellule staminali adulte per la riparazione del muscolo cardiaco in modelli animali di malattie cardiache.

Figura 9.1.

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

Di recente, Orlic e colleghi hanno riportato un’applicazione sperimentale delle cellule staminali ematopoietiche per la rigenerazione dei tessuti del cuore. In questo studio, un attacco di cuore è stato indotto nei topi legando un vaso sanguigno importante, l’arteria coronaria principale sinistra. Attraverso l’identificazione di marcatori di superficie cellulari unici, i ricercatori hanno poi isolato un gruppo selezionato di cellule primitive adulte del midollo osseo con un’alta capacità di svilupparsi in cellule di più tipi. Quando iniettate nella parete danneggiata del ventricolo, queste cellule hanno portato alla formazione di nuovi cardiomiociti, endotelio vascolare e cellule muscolari lisce, generando così il miocardio de novo, comprese le arterie coronarie, arteriole e capillari. Il miocardio appena formato ha occupato il 68% della porzione danneggiata del ventricolo nove giorni dopo il trapianto delle cellule del midollo osseo, in effetti sostituendo il miocardio morto con tessuto vivo e funzionante. I ricercatori hanno scoperto che i topi che hanno ricevuto le cellule trapiantate sono sopravvissuti in numero maggiore rispetto ai topi con attacchi di cuore che non hanno ricevuto le cellule staminali di topo. Gli esperimenti di follow-up sono ora in corso per estendere il tempo di analisi post-trapianto per determinare gli effetti a lungo termine di tale terapia. La parziale riparazione del muscolo cardiaco danneggiato suggerisce che le cellule staminali ematopoietiche di topo trapiantate hanno risposto a segnali nell’ambiente vicino al miocardio danneggiato. Le cellule sono migrate nella regione danneggiata del ventricolo, dove si sono moltiplicate e sono diventate cellule “specializzate” che sembravano essere cardiomiociti.

Un secondo studio, di Jackson et al. , ha dimostrato che il tessuto cardiaco può essere rigenerato nel modello di infarto del topo attraverso l’introduzione di cellule staminali adulte dal midollo osseo del topo. In questo modello, i ricercatori hanno purificato una “popolazione laterale” di cellule staminali ematopoietiche da un ceppo di topo geneticamente modificato. Queste cellule sono state poi trapiantate nel midollo di topi irradiati letalmente circa 10 settimane prima che i topi riceventi fossero sottoposti ad attacco cardiaco tramite la legatura di un altro grande vaso sanguigno del cuore, l’arteria coronaria discendente anteriore sinistra (LAD). Da due a quattro settimane dopo la lesione cardiaca indotta, il tasso di sopravvivenza era del 26%. Come per lo studio di Orlic et al., l’analisi della regione circostante il tessuto danneggiato nei topi sopravvissuti ha mostrato la presenza di cardiomiociti e cellule endoteliali di origine donatrice. Così, le cellule staminali ematopoietiche di topo trapiantate nel midollo osseo avevano risposto ai segnali nel cuore ferito, migrato nella regione di confine della zona danneggiata, e differenziato in diversi tipi di tessuto necessari per la riparazione cardiaca. Questo studio suggerisce che le cellule staminali ematopoietiche di topo possono essere consegnate al cuore attraverso il trapianto di midollo osseo così come attraverso l’iniezione diretta nel tessuto cardiaco, fornendo così un’altra possibile strategia terapeutica per rigenerare il tessuto cardiaco ferito.

Una prova ulteriore per potenziali terapie basate su cellule staminali per le malattie cardiache è fornita da uno studio che ha dimostrato che le cellule staminali adulte umane prelevate dal midollo osseo sono in grado di dare origine a cellule endoteliali vascolari quando trapiantate nei topi . Come nello studio di Jackson, questi ricercatori hanno indotto un attacco di cuore legando l’arteria coronaria LAD. Hanno avuto cura di identificare una popolazione di cellule staminali ematopoietiche umane che danno origine a nuovi vasi sanguigni. Queste cellule staminali dimostrano plasticità, nel senso che diventano tipi di cellule che normalmente non sarebbero. Le cellule sono state utilizzate per formare nuovi vasi sanguigni nell’area danneggiata del cuore dei ratti e per incoraggiare la proliferazione della vascolarizzazione preesistente dopo l’infarto sperimentale.

Come le cellule staminali di topo, queste cellule staminali ematopoietiche umane possono essere indotte, nelle condizioni di coltura appropriate, a differenziarsi in numerosi tipi di tessuto, compreso il muscolo cardiaco (vedi Figura 9.2. Riparazione del muscolo cardiaco con cellule staminali adulte). Quando sono state iniettate nel flusso sanguigno che porta al cuore danneggiato del ratto, queste cellule hanno impedito la morte delle cellule miocardiche ipertrofiche o ispessite ma altrimenti vitali e hanno ridotto la formazione progressiva di fibre di collagene e cicatrici. I ratti di controllo che hanno subito un intervento chirurgico con un’arteria coronaria LAD intatta, così come i ratti LAD-legati iniettati con cellule saline o di controllo, non hanno dimostrato un aumento del numero di vasi sanguigni. Inoltre, le cellule ematopoietiche potrebbero essere identificate sulla base di marcatori cellulari altamente specifici che le differenziano dalle cellule precursori dei cardiomiociti, permettendo alle cellule di essere utilizzate da sole o in combinazione con strategie di rigenerazione dei miociti o terapie farmacologiche. (Per ulteriori informazioni sui marcatori delle cellule staminali si veda l’Appendice E.i. Come i ricercatori usano i marcatori per identificare le cellule staminali?)

Figura 9.2. Riparazione del muscolo cardiaco con cellule staminali adulte

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

Nuovi progressi entusiasmanti nella rigenerazione dei cardiomiociti sono stati fatti nella ricerca sulle cellule staminali embrionali umane. A causa della loro capacità di differenziarsi in qualsiasi tipo di cellula del corpo adulto, le cellule staminali embrionali sono un’altra possibile popolazione sorgente per le cellule di riparazione cardiaca. Il primo passo in questa applicazione è stato fatto da Itskovitz-Eldor et al. che hanno dimostrato che le cellule staminali embrionali umane possono differenziarsi in modo riproducibile in cultura in corpi embrionali composti da tipi di cellule dei tre strati embrionali del corpo. Tra i vari tipi di cellule notati c’erano cellule che avevano l’aspetto fisico dei cardiomiociti, mostravano marcatori cellulari coerenti con le cellule del cuore, e dimostravano un’attività contrattile simile ai cardiomiociti quando venivano osservati al microscopio.

In una continuazione di questo lavoro iniziale, Kehat et al. hanno mostrato proprietà strutturali e funzionali dei cardiomiociti allo stadio iniziale nelle cellule che si sviluppano dai corpi embrionali. Le cellule che hanno un’attività contrattile spontanea sono identificate positivamente usando marcatori con anticorpi per la catena pesante della miosina, l’alfa-actinina, la desmina, la proteina antinaturietica e la troponina cardiaca, tutte proteine presenti nel tessuto cardiaco. Questi ricercatori hanno fatto l’analisi genetica di queste cellule e hanno trovato che i geni del fattore di trascrizione espressi sono coerenti con i cardiomiociti in fase iniziale. Le registrazioni elettriche da queste cellule, i cambiamenti nel movimento degli ioni di calcio all’interno delle cellule e la risposta contrattile alla stimolazione dell’ormone catecolamina da parte delle cellule erano simili alle registrazioni, ai cambiamenti e alla risposta visti nei primi cardiomiociti osservati durante lo sviluppo dei mammiferi. Un prossimo passo in questa ricerca è vedere se l’evidenza sperimentale del miglioramento del risultato dell’attacco cardiaco nei roditori può essere riprodotto utilizzando cellule staminali embrionali.

Queste scoperte rivoluzionarie nei modelli di roditori presentano nuove opportunità per l’utilizzo di cellule staminali per riparare il muscolo cardiaco danneggiato. I risultati degli studi discussi sopra sono prove crescenti che le cellule staminali adulte possono svilupparsi in più tipi di cellule di quanto si pensasse inizialmente. In questi studi, le cellule staminali ematopoietiche sembrano essere in grado di svilupparsi non solo in sangue, ma anche in muscolo cardiaco e tessuto endoteliale. Questa capacità delle cellule staminali adulte, sempre più spesso chiamata “plasticità”, può rendere tali cellule staminali adulte un valido candidato per la riparazione del cuore. Ma questa prova non è completa; le popolazioni di cellule staminali ematopoietiche del topo che danno origine a queste cellule di sostituzione non sono omogenee. Piuttosto, sono arricchite per le cellule di interesse attraverso fattori stimolanti specifici e selettivi che promuovono la crescita cellulare. Quindi, la popolazione cellulare di origine di queste cellule iniettate non è stata identificata, ed esiste la possibilità di includere altre popolazioni cellulari che potrebbero causare il rigetto delle cellule trapiantate da parte del ricevente. Questo è un problema importante da affrontare nelle applicazioni cliniche, ma non è così rilevante nei modelli sperimentali qui descritti perché i roditori sono stati allevati per essere geneticamente simili.

Quali sono le implicazioni per estendere la ricerca sulla crescita differenziata di tessuti sostitutivi per cuori danneggiati? Ci sono alcuni aspetti pratici nella produzione di un numero sufficiente di cellule per l’applicazione clinica. La riparazione di un cuore umano danneggiato richiederebbe probabilmente milioni di cellule. La capacità unica delle cellule staminali embrionali di replicarsi in coltura può dare loro un vantaggio rispetto alle cellule staminali adulte, fornendo un gran numero di cellule sostitutive in coltura di tessuti per scopi di trapianto. Dato lo stato attuale della scienza, non è chiaro come le cellule staminali adulte potrebbero essere utilizzate per generare sufficiente muscolo cardiaco al di fuori del corpo per soddisfare la domanda dei pazienti .

Anche se c’è molto entusiasmo perché i ricercatori ora sanno che le cellule staminali adulte ed embrionali possono riparare il tessuto cardiaco danneggiato, molte domande rimangono da rispondere prima che possano essere fatte applicazioni cliniche. Per esempio, per quanto tempo le cellule sostitutive continueranno a funzionare? I modelli di ricerca sui roditori riflettono accuratamente le condizioni del cuore umano e le risposte al trapianto? Questi nuovi cardiomiociti sostitutivi derivati dalle cellule staminali hanno le capacità di conduzione dei segnali elettrici delle cellule muscolari cardiache native?

Le cellule staminali possono servire come base su cui viene costruita una futura forma di “terapia cellulare”. Negli attuali modelli animali, il tempo tra la lesione al cuore e l’applicazione delle cellule staminali influisce sul grado di rigenerazione, e questo ha implicazioni reali per il paziente che si precipita impreparato al pronto soccorso dopo un infarto. In futuro, le cellule del paziente potrebbero essere raccolte ed espanse per essere utilizzate in modo efficiente? In alternativa, i pazienti a rischio possono donare le loro cellule in anticipo, riducendo così al minimo la preparazione necessaria per la somministrazione delle cellule? Inoltre, queste cellule staminali possono essere geneticamente “programmate” per migrare direttamente al sito della lesione e sintetizzare immediatamente le proteine cardiache necessarie al processo di rigenerazione? I ricercatori stanno attualmente utilizzando cellule staminali di tutte le fonti per affrontare queste domande, fornendo così un futuro promettente per le terapie per riparare o sostituire il cuore danneggiato e affrontare le principali cause di morte della nazione.

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Contenuto storico: 17 giugno 2001