In queste cellule la medicina del futuro

La scoperta delle cellule staminali pluripotenti indotte, dette iPS, nasce dagli studi sulle staminali embrionali (ES), generate da ovuli fecondati, isolate e coltivate in vitro per alcune settimane, come ho fatto per oltre un decennio dopo che le staminali embrionali del topo erano state isolate per la prima volta nel 1981. Le staminali embrionali hanno due proprietà decisive: la proliferazione e la pluripotenza. Sono capaci di crescere vigorosamente e di differenziarsi in tutti i lignaggi cellulari del corpo adulto, una capacità detta pluripotenza, dai neuroni ai muscoli cardiaci. Molti geni si esprimono specificamente nelle staminali embrionali. A metà degli anni 90, da post-doc all'istituto Gladstone per le patologie cardiovascolari, a San Francisco, ho scoperto il gene NAT1 necessario alla pluripotenza. Nel 1998 James Thomson (Wisconsin) è riuscito a generare staminali embrionali umane, un successo che suggeriva la possibilità di trapianti cellulari per curare malattie finora inguaribili.
Teoricamente, è possibile differenziare le staminali embrionali in neuroni, cardiomiociti, cellule epatiche o pancreatiche beta. Se si riuscisse a produrne in grandi quantità, si potrebbero trovare applicazioni cliniche per trapianti in pazienti affetti da Parkinson o da lesioni del midollo spinale. Ma le applicazioni devono superare due grossi ostacoli: l'eventualità di un rigetto immunitario e obiezioni etiche all'uso di embrioni umani. Quando ho preso la direzione del mio laboratorio all'Istituto di scienza e tecnologia di Nara, in Giappone, ho deciso che con il mio gruppo avremmo cercato di generare un nuovo tipo di staminale pluripotente che aggirasse entrambi i problemi. La mia idea era riprogrammare cellule somatiche di pazienti, di farle tornare indietro nel tempo.
Il concetto di riprogrammazione cellulare risaliva al 1962, l'anno in cui sono nato, quando John Gurdon aveva ottenuto girini con il trasferimento in uova enucleate di rospo, Xenopus laevis, del nucleo estratto da cellule intestinali di un altro rospo, il metodo poi usato per clonare la pecora Dolly, e nel 2001 si è visto nei topi che i timociti diventano pluripotenti per elettrofusione con staminali embrionali. Era chiaro che queste, come gli ovuli, contengono fattori che inducono la pluripotenza nelle cellule somatiche. Cominciammo a cercare i fattori che mantengono l'identità di una staminale embrionale, cioè i geni espressi specificamente in quelle murine, e prima di trasferirci a Tokyo nel 2004 ne avevamo identificati 24. Sapevamo che una volta introdotti in cellule somatiche comparivano colonie di cellule simili a staminali embrionali, ma non sapevamo quali fossero determinanti. Eliminando un fattore per volta abbiamo finalmente scoperto i quattro fattori di trascrizione necessari e sufficienti – Oct3/4, Sox2, Klf4 e c-Myc – e nel 2007 siamo riusciti a generare iPS umane, nello stesso momento in cui ci riusciva il gruppo di James Thompson. Poco dopo, altri laboratori replicarono i nostri risultati.
Oggi generiamo iPS da cellule somatiche prelevate dalla pelle o da fibroblasti di pazienti, che coltiviamo per due o tre settimane prima di introdurci i quattro geni. Settimane dopo, in coltura emergono colonie di iPS, alcune centinaia per ogni colonia, che si possono differenziare in qualunque cellula somatica, un potenziale enorme per la medicina. Ci vorranno anni di ricerca e di esperimenti clinici rigorosi per capire se se ne possono trarre applicazioni mediche efficaci e sicure. Nei topi si è già visto un effetto terapeutico per l'anemia falciforme, il morbo di Parkinson, l'emofilia A, le lesioni del midollo spinale, l'anemia di Franconi.
La tecnologia delle iPS serve anche a creare modelli in vitro di determinate patologie per accertare la tossicologia o meno di un farmaco, o per determinare i meccanismi di patogenesi, come già alcuni gruppi hanno fatto con cellule prelevate da pazienti affetti da malattie neurodegenerative come la sclerosi amiotrofica laterale e il Parkinson. Non che sia semplice ricapitolare la malattia di un paziente in iPS derivate dalle sue cellule. Potrebbe essere più facile fare modelli di patologie di origine genetica. Infatti nei neuroni motori differenziati a partire da iPS derivate dalle cellule di un giovane paziente con un'atrofia muscolare spinale si sono osservati deficit assenti nei neuroni motori derivati dalle cellule sane di sua madre.
In molte malattie neurodegenerative i sintomi si sviluppano dopo molti anni. Nel 1936 e nel 1937 Lou Gehrig, famoso giocatore di baseball americano, aveva una media di 350 battute. L'anno dopo, calò bruscamente, l'allenatore pensò che fosse "bruciato" e i New York Yankees non gli rinnovarono il contratto. Solo dopo gli fu diagnosticata la sclerosi laterale amiotrofica, di cui morì nel 1941, a 37 anni. È una malattia fatale, causata dalla degenerazione dei neuroni che controllano i movimenti dei muscoli. A quasi 70 anni dalla morte di Lou Gehrig ancora non esistono terapie efficaci, in parte perché non esistono modelli affidabili della malattia. Le iPS generate da cellule di pazienti e poi trasformate in neuroni motori hanno lo stesso Dna del paziente: se i sintomi fossero ricapitolati in quei neuroni, si potrebbero usare per chiarire i meccanismi che portano alla sclerosi e per testare possibili farmaci.
Per quanto riguarda i trapianti, abbiamo ancora molti progressi da fare. Poche iPS non ancora differenziate possono generare teratomi, una forma di tumore, quindi bisogna accertarsi che ne rimangano il minimo possibile in quelle differenziate da trapiantare. E prima di trapiantare quelle non differenziate, dobbiamo essere sicurissimi che la riprogrammazione di ogni singola iPS sia completa. Ci servono anche metodi semplici e insieme accurati e affidabili per valutare l'efficacia e la sicurezza di molti cloni e subcloni di iPS ottenute con le diverse tecnologie. Non sarò mai in grado di sottolineare abbastanza che non sarebbe stato possibile generare le iPs e realizzare progressi così rapidi, da quando si sono isolate le prime staminali embrionali nel 1981, senza i molti studi che hanno utilizzato le cellule staminali embrionali umane e di topo. Credo che gli sforzi concertati dei ricercatori di tutto il mondo realizzeranno le promesse delle iPS in un futuro non troppo distante.