Rigenerazione delle isole cellulari

In ogni grande mistero, piccole scoperte svelano indizi che possono portare ad una successiva rivelazione, permettendo agli investigatori di cercare le risposte in un disegno piu’ grande. In questo articolo, la soluzione al ” rompicapo piu’ grande” e’ rendere possibile, per oltre un milione di diabetici di tipo 1, di vivere senza insulina in un mondo in cui, semplicemente, non ci sono abbastanza isole. Molti ricercatori stanno puntando sulla rigenerazione delle cellule beta per risolvere il problema della scarsita’ di isole.

Rigenerazione delle isole: Cos’e’ e cosa non e’

Cominciamo dal principio.
All’interno del pancreas ci sono delle cellule chiamate isole di Langherans, che costituiscono solo l’1 o il 2 % della massa dell’intero pancreas.
Queste isole sono fatte di 4 tipi di cellule, le piu’ numerose sono le cellule beta che producono insulina.
Nelle persone affette da Diabete 1, queste isole vengono distrutte dal sistema immunitario, portando alla necessita’ di iniezioni di insulina esogena per mantenere il metabolismo del glucosio normale.

La ricerca per trovare una cura al diabete si e’ indirizzata per la maggior parte a sostituire le cellule beta che sono state distrutte dal sistema immunitario.
E’ provato che il trapianto di pancreas sia un modo eccellente di ottenere l’insulinoindipendenza, ma con qualche inconveniente. Un trapiantato di pancreas passa da una vita col diabete ad una vita con gli immunosoppressori, che sono costosi e che possono avere effetti collaterali.
Piu’ genericamente, il numero di persone che potrebbero beneficiare del trapianto di pancreas e’ molto piu’ ampio di quella che e’ l’effettiva disponibilita’ di organi: circa 3500 pancreas l’anno (negli USA).
Attualmente sono eseguiti negli Stati Uniti circa 1500 trapianti di pancreas l’anno e il numero continua ad aumentare, man mano che piu’ pazienti vengono a conoscenza di questa opzione terapeutica.

I progressi nei trapianti di isole aumentano ancora la richiesta di pancreas: attualmente l’unica fonte di isole (con pochissime eccezioni) e’ data dai pancreas umani prelevati da cadavere.

Tutto cio’ porta alla necessita’ di trovare una fonte alternativa di isole (o piu’ precisamente di cellule beta produttrici insulina che si trovano nelle isole). Fonti potenziali su cui si sta studiando includono:

– Cellule xenogeniche – cellule raccolte da altre specie animali, come maiali, che potrebbero ancora aver bisogno di terapia immunosoppressiva e che pongono considerazioni etiche.

– Linee Cellulari ingegnerizzate – cellule non produttrici di insulina che sono state geneticamente manipolate per produrre insulina e per autoreplicarsi.

– Linee Cellulari immortali – cellule ottenute da tumori maligni che hanno la capacita’ naturale di autoreplicarsi.

– Cellule ottenute da cellule beta adulte o fetali donate.

– Cellule rigenerate – cellule che proliferano dalle isole proprie di una persona.

E’ a questi ultimi due tipi – cellule generate da cellule beta adulte o fetali donate e cellule che proliferano dalle isole proprie di una persona – che i ricercatori si riferiscono quando parlano di rigenerazione delle cellule delle isole

La promessa della rigenerazione delle isole

Molte istituzioni scientifiche stanno conducendo ricerche su come stimolare le cellule insulari a rigenerarsi, mantenendo la loro capacita’ di produrre insulina e durare tutta la vita. Molte di queste ricerche sono interdipendenti, con studi condotti da laboratori di ricerca sul diabete che condividono le proprie scoperte con altri, quali quelli che studiano il cancro, altre patologie degenerative o debilitanti come il Parkinson e l’Huntington e altre.

Lo studio condotto nel laboratorio del Dr Michael German, MD, capo clinico del Diabetes Center dell’Universita’ di San Francisco, California, si concentra sulla rigenerazione delle cellule beta, quelle che producono insulina nelle isole di Langherans, piuttosto che sulla totalita’ delle isole.

Nello specifico il Dr German e il suo team e’ interessato a scoprire quale gene induce le cellule staminali embrionali, anche chiamate cellule progenitrici, a sviluppare cellule beta produttrici insulina e come questi geni agiscono nelle cellule beta adulte. Le cellule embrionali sono presenti al momento della formazione di un embrione e possono diventare qualsiasi cellula del corpo umano.
Lo fanno seguendo un processo preciso che coinvolge l’attivazione sistematica di geni specifici.
Il ragionamento e’questo: se i ricercatori riescono a capire come le cellule beta si formano dalle cellule embrionali e quale ruolo giochi il gene nella funzione delle cellule beta adulte, allora forse potrebbero far si’ che le cellule progenitrici possano rigenerarsi in cellule beta.

Per ora il laboratorio del Dr German ha potuto dimostrare che al principio dello sviluppo del pancreas, tutte le cellule beta hanno la potenzialita’di sviluppare la funzione endocrina – il compito della maggior parte delle cellule pancreatiche.
Queste primissime cellule pancreatiche sono chiamate cellule progenitrici adulte o cellule staminali adulte.
Usando ratti transgenici e ratti che posseggono certi geni chiave che sono stati eliminati, il Dr German sta cercando di scoprire i meccanismi mediante i quali queste cellule progenitrici adulte si differenziano in cellule beta. Per ora il suo team ha identificato alcuni di questi geni e i meccanismi.

Mentre lo scopo nel breve periodo e’ di creare cellule beta da utilizzare per i trapianti di isole (una scoperta che richiederebbe ancora l’utilizzo di immunosoppressori) l’obiettivo finale e’ molto piu’ ambizioso.

“La rigenerazione di nuove cellule beta nel pancreas per persone con diabete tipo 1 e’ l’obiettivo finale” dice il Dr German. “Non succedera’ nei prossimi anni. Ci vorranno almeno 10 anni, se non piu’, prima che abbia applicazioni pratiche sui diabetici. Ma sono ottimista: succedera’.”

Nel vicino laboratorio dell’UCSF, anche il Dr Matthias Hebrok, collega e, un tempo, suo collaboratore, e’ interessato a scoprire cosa porta le cellule pancreatiche progenitrici a diventare cellule produttrici insulina.
Recentemente, il Dr Hebrok ha focalizzato i suoi esperimenti sull’attivazione e disattivazione, qualcosa chiamato ” the Hedgehog signaling pathway” per vedere che effetto provoca il segnale di interruzione nei vari stadi di sviluppo delle cellule beta.
“The Hedgehog pathway” e’ uno dei principali meccanismi di regolazione usati dal corpo nello sviluppo e nel mantenimento dei tessuti e degli organi.

Un esperimento promettente che ha coinvolto un topo transgenico, e’ stato condotto dal Dr Gerard Evans del UCSF Comprehensive Cancer Center.
Il topo e’ stato alterato geneticamente per produrre una versione modificata di una proteina trovata nel corpo umano, specialmente nelle cellule beta.
Conosciuta come il fattore di trascrizione c-myc, la proteina normalmente controlla sia la riproduzione che la morte delle cellule.
La versione modificata, invece, include alcune proprieta’ che sono state provate essere utili dal team del Dr Hebrok.

Quando al topo transgenico e’ stato somministrato il tamoxifen, un antitumorale, per 6 giorni, la maggioranza delle cellule beta, oltre il 90%, si sono ristrette e poi morte. Di conseguenza, il ratto e’ diventato iperglicemico, quindi diabetico.
Dopo parecchie settimane, pero’, il topo ha recuperato la sua produzione di insulina regolare, indicando che le cellule beta sono “tornate a funzionare”. Ma come? Ci sono due possibilita’.
Una e’ che quel 10 % di cellule sopravvissuto al trattamento con il tamoxifen, in qualche modo si sia riprodotto. Oppure, – e questo e’ cio’ che Hebrok spera di scoprire – che nel pancreas ci siano delle cellule che ancora non si sono trasformate in cellule beta.
L’obiettivo sarebbe isolare queste cellule progenitrici, o cellule staminali adulte, per studiarle ulteriormente.

La possibilita’ che cellule progenitrici adulte continuino ad esistere in un pancreas adulto offre possibilita’ scientifiche eccitanti per la rigenerazione di isole, maggiori di quelle offerte dalle cellule staminali embrionali.
Il Dr Hebrok usa l’esempio di un viaggio per descriverne la potenzialita’: “Immagina che stai viaggiando da New York alla volta del mio laboratorio di San Francisco. C’e’ la possibilita’ di sbagliarsi. Se vai troppo a nord o troppo a sud non arriverai mai a San Francisco. Lo stesso e’ per le cellule staminali embrionali, ” spiega. ” Ma se sei gia’ a San Francisco, devi solo trovare la strada per l’UCSF.”

In questa analogia, isolare le cellule progenitrici che sono gia’ nel pancreas sarebbe equivalente ad essere a San Francisco e dover trovare solo il suo studio all’UCSF. Ci sono meno possibilita’ di perdere la strada per far diventare cellule produtrici insulina, le cellule presenti.

Il prossimo passo e’ lavorare con un topo modello transgenico, e poi, attivare e deattivare “the Hedgehog signaling pathway” varie volte durante le settimane successive il trattamento con il tamoxifen, man mano che la funzionalita’ delle cellule beta torna.
La teoria e’ che cio’ aiutera’ i ricercatori a capire meglio gli effetti che ha “the Hedgehog pathway” nei vari stadi dello sviluppo delle cellule beta.
“Se riusciremo a capire questo,” dice il Dr Hebrok, “potremmo capire cosa attiva le cellule progenitrici per trasformarsi in cellule beta.”

Come utilizzare le cellule rigenerate

Un’altra ricerca su come implementare praticamente la promessa proveniente dalla rigenerazione delle cellule insulari viene eseguita nel laboratorio del Dr Albero Hayek, Direttore dell’Islet Research Laboratory dello Scripps Whittier Diabetes Insitute dell’Universita’ di San Diego, California.
Il Dr Hayek e’ particolarmente interessato a trovare il modo per moltiplicare le cellule insulari in laboratorio e ingegnerizzarle affinche’ esse continuino a produrre insulina e a vivere normalmente dopo il trapianto.
Riuscire in questo intento renderebbe possibile il trapianto di isole in molti diabetici.

Per capire completamente la ricerca del Dr Hayek bisogna tornare indietro di qualche anno.

“Era difficile pensare che si potessero replicare le cellule” ricorda. “Ma cinque anni fa’, ci siamo riusciti con il giusto fattore di crescita – un fattore di crescita epatocita – e siamo riusciti a far replicare le cellule beta 20 mila volte.”

C’erano dei problemi, pero’.
Le nuove cellule beta non erano capaci di produrre insulina e invecchiavano e morivano rapidamente.
La domanda era perche’ e cosa fare per risolvere il problema?

Nella ricerca originale, le cellule beta erano coltivate in monostrati, cio’ significa che esse aderivano al piatto di coltura in due strati. Hayek ipotizzo’ che le cellule beta avessero bisogno di crescere in forma tridimensionale, che e’ come normalmente le isole si presentano nel pancreas.

Usando una specie di gel, conosciuto come fibrina, per incapsulare, o circondare le cellule in forma tridimensionale ed esponendole al fattore di crescita, il team del Dr Hayek e’ riuscito a far replicare le cellule tre volte e a produrre insulina in laboratorio.
Una volta trapiantate le cellule incapsulate nei topi, i risultati sono stati gli stessi.

“Ora stiamo provando a salire la scala”, dice il Dr Hayek. “Stiamo chiedendo fondi al NHI (National Institutes of Health) e ad altri per avere finanziamenti per ampliare la nostra ricerca”.

Per “salire la scala” il Dr Hayek intende replicare abbastanza cellule beta da un solo pancreas, piuttosto che da vari pancreas come spesso accade oggi, per ottenere l’insulinoindipendenza in un diabetico.

Replicare il numero necessario di isole necessario per ottenere il suo scopo e’ estremamente costoso e richiede delle conoscenze cliniche speciali e laboratori che lo Scripps Whittier non possiede.
Ecco perche’ il Dr Hayek attualmente sta cercando di sviluppare alleanze con altri colleghi ricercatori dell’UCSF, dell’University di Miami e dell’Universita’ del Minnesota, istituti in cui questo tipo di studio puo’ avvenire senza aggiungere le spese di nuovi laboratori.

“Noi speriamo che se riusciamo a finanziarci, nei prossimi 2 o 3 anni, potremo ottenere l’autorizzazione dalla FDA per iniziare protocolli sugli uomini,” dice il Dr Hayek.

Ma prima, il Dr Hayek dice che deve determinare fino a che punto il loro modello puo’ espandere le cellule produttrici insulina in laboratorio e poi negli animali. Vorrebbe arrivare a 5 volte.

Mente molti dubbi rimangono, una cosa e’ certa: la possibilita’ di rigenerare le cellule produttrici insulina potrebbe risolvere la scarsita’ di isole e rendere possibile l’accesso ai diabetici ad una terapia che promette una vita senza insulina.
Ricercatori appassionati, come il Dr German, Hebrok e Hayek e i loro colleghi stanno spianando la strada attraverso i loro studi, le loro ricerche, la loro curiosita’ e collaborazione.