La capacità delle cellule staminali di differenziarsi in una pletora di cellule adulte distinte ha portato a grande eccitazione sia nella letteratura scientifica che nei media laici. Dopo anni di ricerca, tuttavia, la prova tangibile della loro promessa rimane elusiva. Le cellule staminali sono un proiettile magico per le patologie spinali multiple? Wellington Hsu (Evanston, USA) e Mark Erwin (Toronto, Canada) valutano la scienza dietro il clamore suscitato.
Una delle più eccitanti applicazioni potenziali delle cellule staminali è la malattia degenerativa del disco. Perché la rigenerazione con le cellule staminali sarebbe preferibile alla discectomia? La degenerazione discale è probabilmente il principale problema clinico che i chirurghi della colonna vertebrale vedono. Tutti hanno una degenerazione discale a vari livelli e, quando questa causa dolore lombare, può essere debilitante. Inoltre costa ai sistemi sanitari miliardi di dollari.
Anche se abbiamo questo problema, non abbiamo davvero una soluzione adeguata.
L’unico trattamento chirurgico per la malattia degenerativa del disco (DDD) è davvero quello di togliere l’intero disco e fondere o sostituire quel segmento. Questo è un approccio relativamente estremo e aggressivo perché non stiamo preservando la fisiologia del disco o la biomeccanica di quel segmento. Se ci fosse una soluzione che fornisse la capacità di rigenerare il disco – per ripristinare ciò che la natura aveva previsto – allora, secondo molti autori, i risultati per questi pazienti potrebbero essere migliorati.
Mark Erwin: È importante notare che il trattamento chirurgico affronta gli effetti a valle della DDD, comprese le ernie del disco, il rimodellamento osseo all’interfaccia disco/vertebrale sotto forma di barre osteocondrali, così come i legamenti ipertrofici e la malattia delle faccette. Come tale, il trattamento chirurgico può alleviare le strutture neurali compresse e può permettere una maggiore stabilità ai segmenti spinali quando necessario.
Tuttavia, trattamenti chirurgici come la discectomia non sono in grado di affrontare i problemi fondamentali del processo degenerativo stesso: perdita di cellule vitali, degenerazione della matrice extracellulare e proprietà biomeccaniche compromesse.
La DDD progressiva si traduce nella perdita di integrità della matrice extracellulare all’interno del nucleo polposo (NP) del disco intervertebrale (IVD), accompagnata da fissurazione e lacerazione dell’annulus fibrosus (AF). Un’altra caratteristica fondamentale della DDD è la perdita progressiva di cellule vitali a causa dell’apoptosi, della necrosi e dell’autofagia, la cui somma porta a un NP IVD più acellulare con omeostasi disregolata. Mentre l’IVD degenera, c’è uno spostamento verso un ambiente pro-infiammatorio e catabolico, che porta a un ciclo di feedback positivo di ulteriore degenerazione e funzione IVD compromessa.
Un’efficace terapia biologica basata sulle cellule dovrebbe mitigare la perdita di cellule vitali e l’ambiente pro-infiammatorio/catabolico IVD, e ristabilire la regolazione omeostatica. A seconda del grado di DDD, gli agenti iniettabili potrebbero funzionare in questo modo. L’efficacia di un tale approccio, tuttavia, dipenderebbe dalle cellule native, non senescenti e funzionali che potrebbero a loro volta tradurre le proteine necessarie per avere un impatto positivo sull’ambiente IVD.
In teoria, la sostituzione cellulare potrebbe rifornire l’IVD NP con cellule de novo capaci di integrarsi nella matrice NP e, attraverso le loro proprietà secretorie, sopprimere l’ambiente degenerativo pro-catabolico, sintetizzare nuove e sane proteine della matrice extracellulare che potrebbero aiutare a ristabilire l’omeostasi dell’IVD e conferire effetti pro-sopravvivenza alle cellule NP residenti.
Dati convincenti rimangono sfuggenti
Le cellule staminali possono essere il tipo di cellula più appropriato per questi scopi grazie alla loro plasticità di differenziazione, alle proprietà antinfiammatorie e alla bassa immunogenicità. Tuttavia, dati convincenti a sostegno di un fenotipo di destinazione “NP” rimangono sfuggenti. Una recente ricerca su PubMed usando “Stem cell therapy for degenerative disc disease” come termine di ricerca ha dato 287 risultati, dimostrando il vivo interesse della comunità scientifica.
Sono stati pubblicati circa 30 studi pre-clinici su animali che usano le cellule staminali per trattare la DDD, con molti che dimostrano risultati positivi e altri che riportano effetti assenti o peggiorati. Attualmente ci sono un certo numero di studi clinici umani in corso che utilizzano cellule staminali di varie fonti come potenziali trattamenti per la DDD, tuttavia molto rimane da determinare in termini di migliore scelta delle cellule, via di somministrazione, numero di cellule, selezione dei pazienti e altro.
WH: Sono stati proposti molti metodi diversi per rigenerare i dischi umani. Le cellule staminali sembrano essere una terapia promettente, soprattutto perché questa zona è avascolare. Un sacco di trattamenti alternativi richiedono un ambiente riccamente vascolare; hanno bisogno di molti vasi sanguigni per fornire al corpo i componenti necessari per rigenerare il tessuto.
In questo tipo di ambiente biologico, le cellule staminali possono avere il potenziale per funzionare perché possono teoricamente proliferare da sole. Possono aiutare a produrre un microambiente senza un apporto vascolare che può permettere al corpo di rigenerare quel tessuto.
Un trattamento autologo potrebbe anche ridurre alcune delle preoccupazioni per le infezioni, il cancro e altre complicazioni che potrebbero sorgere dalla terapia con cellule staminali.
Con quali meccanismi le cellule staminali potrebbero funzionare per aiutare a rigenerare i dischi?
WH: Ci sono davvero due meccanismi principali con cui vediamo le cellule staminali lavorare – non solo per la rigenerazione del disco, ma anche per altre applicazioni.
Così, il primo sarebbe il fatto che le cellule proliferano e poi si differenziano nel tipo di cellula che sarebbe necessario per produrre tessuto. In questo caso si tratterebbe di una cellula di tipo condrogenico o cartilagineo in cui si desidera che le cellule staminali evolvano, e poi, una volta che ciò accade, possono produrre il tessuto cartilagineo/disco. Questo è un tipo di meccanismo simile che è stato proposto anche per la rigenerazione ossea.
L’altro – che ha ricevuto più attenzione di recente – è che le cellule creano un microambiente che permette al corpo di rigenerare il tessuto del disco stesso. Quindi, quello che voglio dire con questo è che le cellule che vengono consegnate non diventano più la cartilagine o la cellula che produce il disco. Rimangono invece cellule staminali. Queste cellule poi secernono fattori di crescita e matrici, e i blocchi di costruzione che il corpo può utilizzare per rigenerare il tessuto nella zona.
Questo meccanismo sembra essere più fattibile, in gran parte perché ci sono molti passaggi che sono necessari per una cellula staminale per diventare una cellula primaria in un ambiente straniero. Fornendo i mattoni necessari, queste cellule staminali possono alla fine portare alla rigenerazione dei tessuti.
Pensa che ci siano prove promettenti nella ricerca per sostenere questo secondo meccanismo?
WH: In questo momento abbiamo una serie di studi clinici in corso negli Stati Uniti che cercano le cellule staminali per rigenerare i dischi. Quindi, se questi studi dimostrano sicurezza, efficacia e miglioramento nei pazienti con mal di schiena, allora sì, penso che presto avremo questo trattamento a disposizione degli esseri umani.
Per quanto riguarda le prove attuali, c’è molto lavoro di base e clinico in corso per delineare i percorsi pertinenti. Speriamo che le prove future ci aiutino a determinarlo.
Quanto pensa che siamo lontani dalle applicazioni cliniche delle cellule staminali per la rigenerazione?
WH: C’è un prodotto attualmente in fase 3 di sperimentazione clinica presso la US Food and Drug Administration (FDA) chiamato Mesoblast.1 Se i risultati di questo studio saranno favorevoli, allora potremmo avere molto presto delle cellule staminali disponibili per il trattamento delle malattie degenerative del disco. Per quanto ne so, di tutti i prodotti basati sulle cellule, questo studio è il più vicino ad essere completato e potrebbe fornire alla comunità della colonna vertebrale le prove necessarie.
Ma, se questo studio non riesce a mostrare alcun miglioramento significativo rispetto al placebo, allora potrebbero passare cinque, dieci o quindici anni prima di vedere un altro prodotto. Ma credo che siamo vicini a vedere prodotti disponibili in commercio per la rigenerazione del disco, a causa dei progressi dei prodotti che sono stati studiati negli studi clinici.
ME: Anche se ci sono diversi studi clinici umani attualmente in corso, la terapia con cellule staminali come trattamento per la DDD umana deve essere considerata sperimentale. Il destino delle cellule staminali mesenchimali trapiantate (come quelle di origine midollare) dopo il trapianto è in gran parte sconosciuto. Sopravvivono? Se sì, per quanto tempo? Qual è il loro fenotipo di differenziazione post-trapianto? Non c’è consenso riguardo al numero di cellule da trapiantare.
I meccanismi di azione rimangono controversi
Uno studio Mesoblast2 ha studiato l’efficacia del trapianto di 6 o 18×106 cellule/disco, e un altro studio europeo ha trapiantato fino a 23×106 cellule/disco. Altri studi hanno trapiantato fino a 30×106 cellule/disco. I risultati iniziali del Mesoblast suggeriscono che la dose di 6×106 era preferibile, ma chiaramente si tratta di ordini di grandezza superiori al numero di cellule che normalmente risiedono in un disco umano. I livelli normali variano a seconda del grado di DDD, ma sono nell’ordine delle centinaia di migliaia; un lontano grido dal 20×106 cellule!
Inoltre, il meccanismo (o i meccanismi) d’azione rimangono controversi.
Le cellule si integrano effettivamente nel milieu NP dell’IVD? Secernono molecole antidegenerative e agiscono sulle cellule ancora vitali? Questi meccanismi paracrini potrebbero avere qualche effetto nel caso delle cellule senescenti? Per quanto tempo sopravvivono le cellule trapiantate (se lo fanno) ed è sufficiente trapiantare le sole cellule?
Inoltre, nel disco degenerativo più avanzato, si ritiene che la degenerazione/calcificazione delle endplates comprometta la diffusione dentro e fuori l’IVD NP. In questa situazione, come faranno le cellule a sopravvivere in un ambiente così ostile? E quale paziente è il candidato ideale per il trapianto?
Anche se molte domande rimangono senza risposta, la nozione di terapia cellulare sostitutiva è molto interessante.
Spotlight sulle cellule notocordali
Di Mark Erwin
Il nostro laboratorio ha studiato le cellule notocordali per oltre un decennio. Queste cellule notevoli sono gli elementi costitutivi del disco intervertebrale e sono ben note per persistere all’interno dei dischi degli animali che sono resistenti allo sviluppo della DDD, come i maiali e i conigli non condrodistrofici. Queste cellule popolano anche riccamente il IVD NP negli esseri umani, ma vengono perse dalla tarda infanzia/prima adolescenza e la loro perdita è interessantemente associata all’insorgenza precoce della DDD.
I processi che governano la sopravvivenza delle cellule notocordali sono attualmente sconosciuti, come il motivo per cui persistono nei dischi di alcuni animali e non in altri (come l’uomo). È interessante notare che le cellule che mostrano i marcatori di staminalità sono presenti all’interno di IVD NP umani maturi (così come in altre specie animali) anche quando le grandi cellule notocordali sono assenti. Questo solleva la domanda: le cellule notocordali semplicemente muoiono nel tempo o si transdifferenziano in cellule simili ai condrociti con la maturità? Esiste una connessione ancora sconosciuta tra le cellule notocordali e le cellule staminali e, in caso affermativo, di cosa si tratta e qual è il significato?
Il nostro team e altri hanno studiato gli effetti delle molecole secrete dalle cellule notocordali e gli effetti di queste molecole secrete su altre cellule NP. Abbiamo recentemente riportato che il mezzo condizionato delle cellule notocordali (NCCM) sopprime la morte delle cellule NP nell’uomo,4 e abbiamo convalidato che il NCCM canino iniettato nel disco degenerativo media la degenerazione del disco e conferisce un effetto rigenerativo.
Inoltre, abbiamo recentemente identificato i fattori necessari e sufficienti secreti dalle cellule notocordali non condrodistrofiche derivate dalla IVD NP canina e abbiamo dimostrato che una singola iniezione di forme ricombinanti di questi fattori nel disco degenerativo può mediare la DDD e conferire un effetto rigenerativo.5 Non credo che l’uso delle cellule notocordali in sé sia di interesse pratico per quanto riguarda il trattamento della DDD, tuttavia capire il loro contributo all’omeostasi della IVD ed essere in grado di fornire i fattori importanti che secernono potrebbe portare ad una nuova terapia molecolare per il trattamento della DDD.
Un importante passo successivo sarebbe quello di esaminare l’uso di versioni ricombinanti delle importanti molecole secrete dalle cellule notocordali in un modello animale adatto di DDD. Una volta completata con successo una sperimentazione così costosa e complessa, arriva il costoso processo di approvazione normativa che porta a una sperimentazione clinica umana. A seconda di una serie di fattori, questo potrebbe essere nei lavori entro tre-cinque anni.
Oltre al loro ruolo biochimico/molecolare, alcuni ricercatori ipotizzano che le cellule notocordali possano contribuire a sostenere il carico. A tal fine abbiamo determinato che la NP ricca di cellule notocordali mostra proprietà biomeccaniche e biochimiche superiori rispetto alle IVD carenti di notocordali in un modo che ha somiglianze con la condizione umana,6 tuttavia molto rimane da determinare in questo settore. Quello che è certo è che Madre Natura continua a custodire gelosamente il ruolo preciso di queste affascinanti cellule e il loro ruolo nello sviluppo, nella maturazione e nel mantenimento dell’IVD.
Quali altre applicazioni potrebbero esserci per le cellule staminali nella spina dorsale?
ME: Ci sono fondamentalmente due aree in cui le cellule staminali sono state valutate; la patologia del midollo spinale e la DDD. C’è un notevole interesse nell’uso delle cellule staminali per trattare disturbi come la sclerosi laterale amiotrofica (SLA/malattia del motoneurone) e le lesioni del midollo spinale con alcuni studi clinici completati o in corso. Sfortunatamente, non si sono ancora verificati progressi significativi, anche se alcuni studi sulla sicurezza sono stati completati.
WH: C’è almeno una sperimentazione in corso negli Stati Uniti sulle lesioni del midollo spinale con l’uso di cellule staminali embrionali. Questo è molto più lontano degli studi sulla rigenerazione del disco perché dobbiamo stabilire la sicurezza prima dell’efficacia. Ma l’applicazione di cellule staminali in una lesione acuta del midollo spinale può ridurre le lesioni secondarie e può portare a migliori risultati motori dopo il trattamento. Questi studi sono in fase uno, il che significa che il trattamento con cellule staminali per le lesioni del midollo spinale è ancora molto lontano.
Molte domande sul futuro delle cellule staminali rimangono senza risposta
ME: Ci sono 15 studi sulla patologia del midollo spinale elencati su www.clinicaltrials.gov con solo due studi completati, quattro in fase di reclutamento, quattro in stato sconosciuto, uno sospeso, due attivi non in fase di reclutamento, uno ritirato e uno terminato. Anche se alcune informazioni preliminari sono state ottenute, molto rimane da determinare per quanto riguarda il miglior metodo di consegna delle cellule staminali, la fonte delle cellule staminali, il numero di cellule da consegnare e il paziente ottimale per ricevere tale terapia. Queste considerazioni sono comuni a tutte le potenziali applicazioni delle cellule staminali legate alla colonna vertebrale.
Le domande “elefantiache”, per così dire, richiedono una ragionevole comprensione di ciò che le cellule trapiantate fanno effettivamente, cosa diventano, se e come si integrano nella matrice extracellulare del sito di trapianto, e quanto tempo sopravvivono una volta trapiantate. Molte di queste domande rimangono senza risposta.
WH: Un’arena promettente per la terapia con cellule staminali sarebbe la formazione ossea, o la fusione spinale. Ci sono prodotti disponibili sul mercato che sono basati su cellule e che vengono utilizzati per questo scopo.
Le cellule hanno un potenziale di formazione ossea, e abbiamo più studi in questo campo per la chirurgia spinale che per la rigenerazione del disco, dato che abbiamo già prodotti sul mercato.
Quali sono le barriere alla ricerca sulle cellule staminali nella colonna vertebrale?
ME: L’idea di usare le cellule staminali per trattare le malattie della colonna vertebrale non è nuova, ma il campo non ha fatto progressi significativi in gran parte a causa della complessità della sostituzione cellulare in generale e, in particolare, della sfida di affrontare le patologie della colonna.
WH: La popolazione di pazienti che soffre di degenerazione discale può essere una barriera alla ricerca. Molti pazienti possono avere dolori lombari per ragioni diverse dai loro dischi degenerati.
Se non si ha la giusta selezione dei pazienti in questi studi clinici, questo può confondere i dati. Se si accetta qualcuno in uno studio che ha un dolore lombare che non proviene realmente dalla malattia degenerativa del disco, ma è, per esempio, proveniente dai tessuti molli circostanti, allora rigenerare il disco non aiuterà necessariamente quella persona. Poiché non esiste un singolo test diagnostico che possa individuare con certezza il generatore di dolore, la selezione dei pazienti è una barriera significativa per uno studio clinico che dimostri la superiorità.
Inoltre, il fatto che queste cellule staminali amino diventare molti tipi diversi di cellule – non solo cellule che producono cartilagine, ma anche cellule che producono ossa e cellule che producono muscoli – ecco perché sono chiamate cellule mesenchimali. Cercare di bloccare la risposta del corpo, o la propensione di questa cellula a sviluppare un percorso alternativo, è forse più ingombrante e più difficile che condurre una cellula lungo il percorso corretto. Quindi direi che, meccanicamente, questa è probabilmente la seconda più grande barriera.
Quando pensa che potremmo iniziare a vedere trattamenti con cellule staminali convalidati usati nella pratica clinica?
ME: Per quanto riguarda l’uso delle cellule staminali nella pratica clinica, la parola importante è “validazione”. Siamo molto lontani da una terapia convalidata con cellule staminali per il trattamento della DDD per le ragioni discusse prima. Questo vale per la maggior parte delle potenziali terapie con cellule staminali nella colonna vertebrale e, anche se molto è stato appreso, molto di più resta da capire prima che qualsiasi convalida possa essere contemplata. La terapia con cellule staminali deve, a questo punto, rimanere sperimentale.
Gli ostacoli ai trapianti di cellule staminali, al di là degli ostacoli scientifici che rimangono, devono certamente includere preoccupazioni normative, poiché è probabile che le cellule staminali richiedano qualche tipo di “manipolazione” – che potrebbe includere semplicemente l’espansione del numero di cellule. I rischi di neoplasia e di altri effetti avversi devono essere studiati a fondo, così come la sicurezza per ogni metodo putativo di trapianto.
Inoltre, questi studi sono tremendamente costosi, creando un ostacolo finanziario che – oltre alle sfide normative – alza la barra di ingresso in questa eccitante, ma impegnativa arena.
Cosa pensa che il futuro abbia in serbo per le cellule staminali nella chirurgia spinale? Le useremo comunemente nel prossimo decennio?
WH: Sicuramente lo spero. Non è che abbiamo appena iniziato a studiare le cellule staminali. Abbiamo studiato molto intensamente questa arena per la chirurgia spinale negli ultimi 15-20 anni, e a questo punto le applicazioni sono ancora limitate. Sono fiducioso che con ulteriori ricerche, saremo in grado di concentrarci meglio su un processo patologico nella consegna delle cellule staminali al paziente giusto.
Non penso certo che le cellule staminali siano la panacea – che possano essere applicate subito, non importa quale sia la condizione. Non prevedo che questo accada. Ma vedo un’applicazione mirata delle cellule staminali che porterà grandi benefici ai pazienti in futuro. Ci vorrà solo un po’ di tempo per arrivarci perché è un processo così complesso.
“Non ho fallito, ho solo trovato 10.000 modi che non funzionano”
ME: C’è un notevole interesse e bisogno clinico di sostituzione cellulare per trattare malattie della spina dorsale come le lesioni del midollo spinale, la DDD, la SLA e altre. Tuttavia la corsa all’uso clinico deve essere temperata con una solida comprensione scientifica e un razionale. Pertanto, è vitale valutare attentamente i potenziali nuovi interventi terapeutici.
L’emergere del turismo delle cellule staminali e la mancanza di regolamentazione in queste aree ha visto l’aumento di eventi avversi molto gravi, compresa la neoplasia nel caso delle terapie con cellule staminali per le lesioni del midollo spinale. La storia è piena di esempi di esiti sfavorevoli in medicina che sono una conseguenza della fretta di implementare nuovi trattamenti. A questo proposito, la famosa citazione di Thomas Edison continua ad essere attuale: “Non ho fallito, ho solo trovato 10.000 modi che non funzionano”.
Wellington Hsu è un chirurgo ortopedico della Northwestern University, Chicago, USA. Mark Erwin è un ricercatore dell’Università di Toronto, Toronto, Canada
1. https://clinicaltrials.gov (Numero di identificazione NCT02412735)
2. https://clinicaltrials.gov (Numero di identificazione NCT01290367)
3. Berkowitz, et al. New England Journal of Medicine 2016; 375:196-198
4. Mehrkens, et al. The Spine Journal 2017; 17(4): 579-588
5. Matta, et al. Scientific Reports 2017; 7: 45623 (doi: 10.1038/srep45623)
6. Erwin, et al. Arthritis Research & Therapy 2015; 17:240
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