Illustrazione di Andy Potts; Foto: Chris Goodfellow / Gladstone Inst.
Shinya Yamanaka ha vinto un premio Nobel per il suo lavoro sulla riprogrammazione delle cellule adulte in uno stato simile all’embrione.
“Abbiamo colonie.”
Shinya Yamanaka guardò con sorpresa il postdoc che aveva parlato. ” Abbiamo colonie”, ha detto ancora Kazutoshi Takahashi., Yamanaka saltò dalla sua scrivania e seguì Takahashi nella loro stanza della cultura dei tessuti, all’Università di Kyoto in Giappone. Sotto un microscopio, hanno visto piccoli gruppi di cellule – il culmine di cinque anni di lavoro e un risultato che Yamanaka non era nemmeno stato sicuro fosse possibile.
Due settimane prima, Takahashi aveva prelevato cellule della pelle da topi adulti e le aveva infettate con un virus progettato per introdurre 24 geni scelti con cura. Ora, le cellule erano state trasformate., Sembravano e si comportavano come cellule staminali embrionali-cellule ‘pluripotenti’, con la capacità di svilupparsi in pelle, nervi, muscoli o praticamente qualsiasi altro tipo di cellula. Yamanaka guardò l’alchimia cellulare davanti a lui. ” In quel momento, ho pensato, ‘Questo deve essere una sorta di errore’, ” ricorda. Chiese a Takahashi di eseguire l’esperimento ancora e ancora. Ogni volta, ha funzionato.
Nei prossimi due mesi, Takahashi ha ristretto i geni a soli quattro che erano necessari per ripristinare l’orologio dello sviluppo., Nel giugno 2006, Yamanaka ha presentato i risultati a una stanza stordita di scienziati alla riunione annuale della Società Internazionale per la ricerca sulle cellule staminali a Toronto, in Canada. Ha chiamato le cellule ‘cellule simili a ES’, ma in seguito si riferirebbe a loro come cellule staminali pluripotenti indotte, o cellule iPS. ” Molte persone semplicemente non ci credevano”, dice Rudolf Jaenisch, un biologo del Massachusetts Institute of Technology di Cambridge, che era nella stanza. Ma Jaenisch conosceva e si fidava del lavoro di Yamanaka, e pensava che fosse “ingegnoso”.,
Le cellule promettevano di essere un vantaggio per la medicina rigenerativa: i ricercatori potrebbero prendere la pelle, il sangue o altre cellule di una persona, riprogrammarle in cellule iPS e quindi utilizzarle per far crescere cellule epatiche, neuroni o qualsiasi altra cosa fosse necessaria per curare una malattia. Questa terapia personalizzata aggirerebbe il rischio di rigetto immunitario e eviterebbe le preoccupazioni etiche dell’utilizzo di cellule derivate da embrioni.
Dieci anni dopo, gli obiettivi si sono spostati — in parte perché quelle terapie si sono dimostrate difficili da sviluppare., L’unico studio clinico che utilizza cellule iPS è stato interrotto nel 2015 dopo che solo una persona aveva ricevuto un trattamento.
Ma le cellule iPS hanno lasciato il segno in un modo diverso. Sono diventati uno strumento importante per modellare e studiare le malattie umane, nonché per lo screening dei farmaci. Modi migliorati di rendere le cellule, insieme a tecnologie di editing genico, hanno trasformato le cellule iPS in un cavallo di battaglia di laboratorio — fornendo una fornitura illimitata di tessuti umani una volta inaccessibili per la ricerca., Questo è stato particolarmente prezioso nei campi dello sviluppo umano e delle malattie neurologiche, afferma Guo-li Ming, neuroscienziato presso la Johns Hopkins University di Baltimora, nel Maryland, che utilizza cellule iPS dal 2006.
Il campo sta ancora vivendo dolori crescenti. Man mano che sempre più laboratori adottano cellule iPS, i ricercatori lottano con la coerenza. ” La sfida più grande è ottenere tutti sulla stessa pagina con il controllo di qualità”, afferma Jeanne Loring, biologa delle cellule staminali presso lo Scripps Research Institute di La Jolla, in California., “Ci sono ancora documenti che escono dove le persone hanno fatto qualcosa di straordinario con una linea cellulare, e si scopre che nessun altro può farlo”, dice. “Abbiamo tutta la tecnologia. Abbiamo solo bisogno che le persone lo usino bene.”
Dalla pelle agli occhi
Sei settimane dopo aver presentato i loro risultati, Yamanaka e Takahashi hanno pubblicato1 le identità dei geni responsabili della riprogrammazione delle cellule adulte: Oct3 / 4, Sox2, Klf4 e c-Myc. Nel corso dell’anno successivo, tre laboratori, tra cui quello di Yamanaka, hanno confermato i risultati e migliorato il metodo di riprogrammazione 2, 3, 4., Entro altri sei mesi, Yamanaka e James Thomson presso l’Università del Wisconsin–Madison sono riusciti a riprogrammare le cellule adulte dagli umani5, 6. I laboratori di tutto il mondo si sono affrettati ad usare la tecnica: alla fine del 2009 erano stati pubblicati circa 300 articoli sulle cellule iPS.
Molti laboratori si sono concentrati sull’elaborazione di quali tipi di cellule adulte potrebbero essere riprogrammate e in quali cellule iPS risultanti potrebbero essere trasformate., Altri hanno cercato di migliorare ulteriormente la ricetta riprogrammazione, inizialmente eliminando7 la necessità di utilizzare c-Myc, un gene con il potenziale per trasformare alcune cellule cancerose, e in seguito consegnando i geni senza che si integrino nel genoma, una preoccupazione di sicurezza incombente per le terapie basate su cellule iPS.
Un’altra grande domanda era come le cellule iPS simili fossero davvero le cellule ES. Le differenze hanno cominciato ad emergere. Gli scienziati hanno scoprito8 che le cellule iPS conservano una “memoria epigenetica”, un modello di segni chimici sul loro DNA che riflette il loro tipo di cellula originale., Ma gli esperti sostengono che tali cambiamenti non dovrebbero influenzare l’uso delle cellule nelle terapie. “Potrebbero esserci alcune differenze rispetto alle cellule ES, ma credo che non siano davvero rilevanti”, afferma Jaenisch.
Piscina/Yomiuri Shimbun/AP
Entro il 2012, quando Yamanaka ha vinto la metà del Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina per il lavoro, il primo processo umano di un iPS-terapia a base di cellule è in fase di progettazione., Masayo Takahashi, oculista presso il RIKEN Center for Developmental Biology (CDB) di Kobe, in Giappone, stava sviluppando trattamenti basati su cellule ES per le malattie della retina quando Yamanaka pubblicò per la prima volta il suo metodo di riprogrammazione. Passò rapidamente alle cellule iPS e alla fine iniziò a collaborare con Yamanaka.
Nel 2013, il suo team ha realizzato cellule iPS dalle cellule della pelle di due persone con degenerazione maculare legata all’età, una condizione oculare che può portare alla cecità, e le ha utilizzate per creare fogli di cellule dell’epitelio pigmentato retinico (RPE) per uno studio clinico., Non molto tempo dopo, i ricercatori del CDB che lavorano su un’altra tecnica di riprogrammazione cellulare-acquisizione di pluripotenza innescata dallo stimolo, o STAP — sono finiti sotto inchiesta per cattiva condotta. Anche se non collegato al processo iPS-cell, il furore ha reso difficile per Takahashi avanzare il suo studio: ha creato un “vento contrario nel mare calmo” in cui aveva lavorato, dice. Eppure il suo team ha spinto avanti, e il 12 settembre 2014, i medici hanno impiantato i primi fogli RPE nell’occhio destro di una donna sulla settantina., Takahashi dice che la terapia ha fermato la degenerazione maculare della donna e ha illuminato la sua visione.
Ma mentre il laboratorio si preparava a trattare il secondo partecipante allo studio, il team di Yamanaka ha identificato due piccoli cambiamenti genetici sia nelle cellule iPS del paziente che nelle cellule RPE derivate da esse. Non c’era alcuna prova che entrambe le mutazioni fossero associate alla formazione di tumori, eppure “per essere al sicuro” Yamanaka consigliò a Takahashi di sospendere il processo. L’ha fatto.,
La sospensione ha dato pausa ad altri ricercatori interessati nel campo, dice Paul Knoepfler, un biologo delle cellule staminali presso l’Università della California, Davis: “Il mondo sta guardando per vedere come progredisce.”Ma le difficoltà che le cellule iPS hanno dovuto affrontare per raggiungere la clinica non sono così insolite, dice David Brindley, che studia la regolazione e la produzione di cellule staminali presso l’Università di Oxford, nel Regno Unito. In genere ci vogliono circa 20 anni per spostare una scoperta scientifica all’adozione clinica e commerciale, quindi le cellule iPS “stanno seguendo approssimativamente la stessa traiettoria”, dice.,
Negli Stati Uniti, l’Astellas Institute for Regenerative Medicine di Marlborough, Massachusetts (precedentemente Advanced Cell Technology), ha diverse terapie basate su cellule iPS nella sua pipeline, comprese quelle per la degenerazione maculare e il glaucoma, afferma il chief Scientific officer Robert Lanza. Per qualsiasi terapia di questo tipo, ci vogliono anni per elaborare un metodo adatto per creare i giusti tipi di cellule in quantità sufficienti e con sufficiente purezza. “Le cellule iPS sono le terapie più complesse e dinamiche che siano mai state proposte per la clinica”, afferma Lanza., “Sono il primo che vuole vedere queste cellule nella clinica, ma è necessaria un’abbondanza di cautela.”
L’altra grande sfida è capire cosa sarà necessario per ottenere tali trattamenti approvati. Loring spera di iniziare una sperimentazione di terapia cellulare iPS per il morbo di Parkinson nei prossimi due anni. Ma non sarà facile: il trattamento utilizza cellule derivate da singoli pazienti, e Loring prevede di fare una serie complessa di controlli e convalide per ogni linea cellulare per dimostrare la sua sicurezza alla Food and Drug Administration degli Stati Uniti.,
Sviluppare e testare una terapia anche in una sola persona è stato educativo, dice Yamanaka: ci sono voluti un anno e US million 1 milione. Si aspetta che le future terapie utilizzino cellule iPS derivate da donatori da una banca cellulare, piuttosto che renderle per ogni paziente.
Takahashi prevede di confrontare le cellule IPS bancate fianco a fianco con quelle derivate dai pazienti, per osservare eventuali differenze nella reazione immunitaria. Intende rivolgersi al governo giapponese per riprendere il suo processo di degenerazione maculare “molto presto”, ma quando gli viene chiesto, non specifica una linea temporale.,
Miglioramenti cellulari
Sebbene la terapia cellulare abbia subito battute d’arresto, altre aree di ricerca sono fiorite. I metodi per rendere le cellule iPS “sono più raffinati ed eleganti di quanto lo fossero anche cinque anni fa”, afferma Knoepfler.
Ma la maggior parte delle tecniche di riprogrammazione sono inefficienti: solo una piccola frazione di cellule finisce completamente riprogrammata. E, come tutte le linee cellulari, le cellule iPS variano da un ceppo all’altro. Ciò ha reso difficile stabilire controlli negli esperimenti.,
Marc Tessier-Lavigne, neuroscienziato presso la Rockefeller University di New York, ha affrontato questa sfida con i colleghi della New York Stem Cell Foundation quando hanno iniziato a lavorare con cellule iPS prodotte da persone con malattia di Alzheimer ad esordio precoce e demenza frontotemporale. Si sono subito resi conto che confrontare le cellule iPS di un paziente con quelle di un controllo sano non funzionava: le cellule si comportavano in modo troppo diverso nella cultura, probabilmente il risultato di disparità nel background genetico o nell’espressione genica. ” Così ci siamo rivolti al gene editing, ” dice Tessier-Lavigne.,
“Il mondo sta guardando per vedere come progredisce.”
Lo strumento di editing genetico CRISPR–Cas9, che ha guadagnato enorme popolarità negli ultimi anni, ha permesso ai ricercatori di introdurre mutazioni associate alla malattia in un campione di cellule iPS e quindi confrontarle con le linee cellulari originali e inedite. Il laboratorio di Jaenisch utilizza quotidianamente CRISPR-Cas9 con cellule iPS. “Possiamo fare qualsiasi manipolazione che vogliamo fare”, dice.
Nuovi, raffinati metodi di gene-editing si stanno dimostrando ancora più utili., Ad aprile, ad esempio, Dominik Paquet e Dylan Kwart nel laboratorio di Tessier-Lavigne hanno dimostrato9 una tecnica per introdurre mutazioni puntiformi specifiche nelle cellule iPS usando CRISPR e modificando solo una copia di un gene, piuttosto che entrambi. Ciò ha permesso loro di generare cellule con combinazioni precise di mutazioni associate all’Alzheimer e di studiarne gli effetti.
Ma poiché le cellule iPS assomigliano alle cellule embrionali, non sono sempre ideali per studiare malattie a insorgenza tardiva come la demenza. Così i ricercatori stanno esplorando modi per stressare le cellule o introdurre proteine che li invecchiano prematuramente., ” È una preoccupazione valida che non è stata risolta, ma ci sono una serie di approcci per provare davvero ad affrontarla”, afferma Tessier-Lavigne.
Il fatto che le cellule iPS imitino lo sviluppo umano precoce si è dimostrato utile in un altro campo: lo sprint per scoprire se e come l’infezione con il virus Zika nelle donne in gravidanza potrebbe portare alla microcefalia, una condizione in cui la testa di un bambino è più piccola del previsto. Ming ei suoi colleghi hanno utilizzato le cellule iPS per creare organoidi cerebrali-bit 3D di tessuto che assomigliano organi in via di sviluppo., Quando li hanno esposti a Zika, hanno trovato10 che il patogeno infetta preferenzialmente le cellule staminali neurali rispetto ai neuroni appena formati, portando ad un aumento della morte delle cellule staminali neurali e ad una diminuzione del volume di uno strato di neuroni nella corteccia, simile alla microcefalia.
Altri gruppi hanno utilizzato cellule iPS per creare organoidi come mini-budella e mini-fegati, e l’elenco delle scoperte correlate alla malattia utilizzando cellule iPS è in crescita., Include la dimostrazione di come la duplicazione di un gene nel glaucoma causi la morte di gruppi di cellule nerve11 e la ricapitolazione delle alterazioni genetiche e cellulari associate alla malattia di Huntington12.
Anche le cellule iPS sono state utilizzate con un certo successo nella scoperta di farmaci: forniscono un’abbondante fonte di cellule derivate dal paziente per schermare o testare farmaci sperimentali. Nel 2012, ad esempio, le cellule staminali neurali ricavate da persone con una malattia dello sviluppo delle cellule nervose sono state utilizzate per esaminare quasi 7.000 piccole molecole e identificare un potenziale farmaco per la condizione13., E quest’anno, un team ha riferito14 generando neuroni sensoriali da cellule iPS fatte da persone con un disturbo del dolore ereditato. I ricercatori hanno dimostrato che un composto bloccante il sodio riduceva l’eccitabilità dei neuroni e diminuiva il dolore nei pazienti. Sarebbe bello usare le cellule iPS per prevedere se le persone risponderanno a un particolare farmaco, dice Edward Stevens, ricercatore presso la Pfizer Neuroscience and Pain Research Unit di Cambridge, nel Regno Unito, che ha guidato il lavoro, ma ci sarà bisogno di essere molto più prove che una tale strategia funziona.,
Anche dopo un decennio di riprogrammazione delle cellule (vedi “Indurre una rivoluzione”), i ricercatori non sanno in dettaglio come si verifica effettivamente il processo. Per ora, il campo è focalizzato sulla verifica sistematica dell’identità e della sicurezza delle linee cellulari, controllando i loro genomi, i modelli di espressione genica e altro ancora. Uno di questi sforzi, la Banca europea per le cellule staminali pluripotenti indotte, con sede a Cambridge, nel Regno Unito, ha lanciato pubblicamente il suo catalogo di cellule iPS standardizzate per l’uso nella modellizzazione delle malattie questo marzo., Yamanaka è anche coinvolto nel banking cellule iPS per le terapie future, raccogliendo varietà che sarebbero immunologicamente compatibili in tutta una vasta popolazione.
Le più grandi sfide future, dice, non sono scientifiche. I ricercatori avranno bisogno di un forte sostegno da parte dell’industria farmaceutica e dei governi per andare avanti con le terapie cellulari; per la scoperta di farmaci e la modellizzazione delle malattie, i ricercatori devono essere persistenti e pazienti. Le cellule iPS possono solo accorciare il processo di scoperta, non saltarlo, dice. “Non c’è magia. Con le cellule iPS o qualsiasi nuova tecnologia, ci vuole ancora molto tempo.,”