La rivoluzione delle staminali embrionali umane / The revolution of human embryonic stem cells

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Rosette neurali, derivate da cellule staminali embrionali umane, riunite in sfere in coltura. Questa immagine è stata premiata nel 2016 al concorso per la microfotografia "Small World" indetto dalla Nikon (Cortesia Gist Croft/Ali Brivanlou/Rockefeller University) / Neural rosettes, derived from human embryonic stem cells, gathered in cultured spheres. This image was awarded in 2016 for the microphotography contest

Dopo vent'anni di speranze, divieti, promesse e controversie, le cellule staminali dell'embrione umano stanno rimodellando i concetti biologici e stanno finalmente iniziando a entrare nella pratica clinica

Nel 1998, quando i ricercatori hanno iniziato a studiare come ricavare cellule staminali embrionali umane, Dieter Egli stava per iniziare la scuola di specializzazione. Nei due decenni successivi, queste prolifiche cellule sono state un appuntamento fisso della sua carriera. Il biologo, ora alla Columbia University, le ha usate per esplorare come il DNA delle cellule adulte possa essere riprogrammato in uno stato embrionale, e per affrontare le questioni relative allo sviluppo e alla terapia del diabete. Ha anche contribuito a sviluppare una forma completamente nuova di cellule staminali embrionali umane che potrebbe semplificare gli studi sull'attività dei diversi geni umani.

L'ampio raggio delle sue ricerche l'hanno fatto diventare un caposcuola nella biologia delle cellule staminali embrionali, un settore messo alla prova da finanziamenti limitati e dall'entusiasmo per tecnologie concorrenti che non sollevano gli stesso problemi etici. Tuttavia, molti affermano che le cellule staminali embrionali umane sono oggi più rilevanti che mai. "Sono molto entusiasta delle cellule staminali embrionali", dice Egli. "Porteranno a scoperte senza precedenti che trasformeranno la vita. Non ho dubbi."

Le staminali embrionali (SE) forniscono informazioni impareggiabili sullo sviluppo precoce. Come gli astronomi che guardano al big bang per raggiungere una comprensione fondamentale dell'universo, i biologi si concentrano sulle molecole all'interno di queste particolari entità per trarre indizi su come una singola cellula originaria si trasformi in miliardi di cellule, con una vertiginosa gamma di forme e funzioni.

Gli scienziati hanno imparato a trasformare queste cellule in decine di tipi di cellule mature che rappresentano i vari tessuti e organi del corpo. Sono usate per testare i farmaci, per modellare la malattia e, sempre più, come terapie iniettive nell'organismo. 

A partire da un tentativo di riparare le lesioni del midollo spinale nel 2010, in oltre una dozzina di studi clinici sono state create cellule da cellule ES per curare, tra l'altro, il morbo di Parkinson e il diabete. I primi risultati suggeriscono che alcuni approcci stanno funzionando: un rapporto atteso da tempo ha mostrato di recente un miglioramento in due persone con degenerazione maculare senile, una malattia che distrugge progressivamente la vista.

"Per certi versi, non è una sorpresa, perché 20 anni fa ce l'aspettavamo - dice Egli - ma sono ancora stupito che questa promessa stia diventando realtà".

Inizi incerti

Era il 1981 quando i ricercatori riuscirono per la prima volta a coltivare cellule staminali da embrioni di topo. Il potenziale di ricerca di queste affascinanti entità, che possono sia replicarsi sia essere indotte a diventare uno qualsiasi degli oltre 200 tipi di cellule del corpo, fu presto riconosciuto, ma la procedura non era facile da realizzare nei primati. Al biologo James Thomson, dell'Università del Wisconsin a Madison, ci vollero altri 14 anni per realizzarlo nelle scimmie, nel 1995. Tre anni dopo, usando embrioni donati per trattamenti di fertilità che erano rimasti inutilizzati, Thomson fece centro di nuovo, creando la prima linea al mondo di cellule ES umane.

La scoperta scatenò una tempesta di fuoco etico. I critici, provenienti per lo più da ambienti religiosi, sostenevano che gli embrioni costituiscono esseri umani e volevano impedire qualsiasi ricerca che li distruggesse. Nel 2001 il presidente degli Stati Uniti George W. Bush limitò i finanziamenti federali alla ricerca alle poche linee di cellule staminali europee già esistenti. La decisione costrinse coloro che intendevano condurre la ricerca negli Stati Uniti a cercare finanziamenti privati o statali, e spesso a duplicare i laboratori, uno per la ricerca sulle cellule ES e l'altro per i lavori finanziati dal governo federale degli Stati Uniti. In altri paesi, tra cui la Germania e l'Italia, la creazione delle cellule fu vietata del tutto.

Tuttavia, dove era possibile, la ricerca andò avanti. I ricercatori attivi in Australia, Singapore, Israele, Canada e Stati Uniti, e altri paesi, riferirono ben presto di aver convertito le cellule staminali embrionali in neuroni, cellule immunitarie e cellule cardiache contrattili.

Furono discussi anche progetti per ricavare cellule staminali da embrioni realizzati con un processo chiamato trasferimento nucleare da cellule somatiche - lo stesso metodo usato per creare animali clonati come la pecora Dolly - in cui il nucleo da una cellula donatrice adulta viene trasferito in una cellula uovo umana da cui è stato rimosso nucleo.

La logica di questa "clonazione terapeutica" era quella di fornire una fonte illimitata di cellule dinamiche con lo stesso DNA del donatore. Si iniziò a parlare di studiare in vitro malattie genetiche complesse e di sostituire gli organi e i tessuti danneggiati allo stesso modo in cui un meccanico sostituisce con pezzi di ricambio parti delle automobili.

Ci furono diversi falsi inizi, in particolare nel 2005, quando si scoprì che lo scienziato sud-coreano Woo Suk Hwang aveva fraudolentemente affermato di avere isolato le cellule staminali in questo modo. Ma entro il 2013, un team guidato da Shoukhrat Mitalipov, ricercatore sulle cellule staminali alla Oregon Health and Science University a Portland, finalmente ci riuscì.

Durante i primi 15 anni, tuttavia, molta ricerca sulle cellule ES si è concentrata sull'uso delle cellule per comprendere la pluripotenza, la sorprendente capacità di diventare qualsiasi tipo di cellula. A poco a poco, gli scienziati hanno ricostruito i percorsi molecolari che la rendono possibile. "Abbiamo imparato la pluripotenza dalle cellule ES", dice Mitalipov.

Neuroni ottenuti da ES. (Cortesia CECAD Cologne) / Neurons obtained from ES

Queste ricerche hanno contribuito alla più grande innovazione nella medicina rigenerativa e nella ricerca biologica degli anni Duemila: la scoperta delle cellule staminali pluripotenti indotte (iPS).

Nel 2006, Shinya Yamanaka, della Kyoto University, studiò come riportare le cellule adulte di topo allo stato embrionale usando solo quattro fattori genetici. L'anno successivo, lui e Thomson raggiunsero lo stesso risultato con cellule umane. Il processo offre, in teoria, gli stessi potenziali benefici della clonazione terapeutica - una disponibilità illimitata di cellule pluripotenti geneticamente abbinate a un paziente - ma senza i dubbi etici.

Molti prevedevano che le cellule iPS avrebbero presto sostituito le cellule staminali embrionali nella ricerca, ma non è successo. Dopo il 2006 il numero di pubblicazioni sulle cellule ES è cresciuto rapidamente ed è diventato costante, attestandosi a circa 2000 l'anno a partire dal 2012. Parte della ragione era che le cellule ES erano il gold standard rispetto al quale i ricercatori potevano confrontare le cellule iPS. E ancora oggi ci sono alcuni che dubitano della sicurezza del ricorso a cellule iPS. Zhou Qi, biologo esperto in cellule staminali all'Istituto di zoologia dell'Accademia cinese delle scienze a Pechino, afferma che la preoccupazione che le cellule iPS possano causare tumori lo ha ispirato a usare le cellule staminali ES in più di una dozzina di studi clinici che sta preparando.

Gran parte della ricerca sulle staminali embrionali umane è stata condotta per rendere più facile lavorarci. La loro derivazione inizialmente è stata un processo alquanto spinoso: prelevarne una per coltivarla e ottenere una nuova popolazione aveva successo meno dell'1 per cento delle volte.

Alcuni progressi hanno cambiato la situazione. Nel 2007, per esempio, Yoshiki Sasai del RIKEN Centre for Developmental Biology a Kobe, in Giappone, scoprì una molecola, chiamata inibitore ROCK12 , che poteva impedire alle cellule ES di morire una volta rimosse dalle colonie in cui vivevano. Il tasso di successo nella creazione di nuove colonie è così salito al 27 per cento.

"Ha cambiato radicalmente le prospettive su ciò che si poteva fare", dice Malin Parmar biologa cellulare al'Università di Lund in Svezia. Parmar, che usa le staminali embrionali umane per ricavare neuroni per uno studio clinico sul morbo di Parkinson, afferma che questi progressi tecnici hanno inaugurato "una nuova età dell'oro" per la ricerca sulle cellule staminali embrionali.

Ora le cellule possono essere prodotte in modo rapido, affidabile e per un tempo illimitato. E in qualche modo evitano di trasformarsi in tumore, come alcuni temevano. "Non sappiamo ancora perché o come" mantengono questo equilibrio, dice Hiromitsu Nakauchi, biologo delle cellule staminali all'Università di Tokyo, che ha cercato di produrre quantità illimitate di piastrine del sangue da ES e da cellule iPS.

Tempo di diversificare
I ricercatori stanno anche cercando di coltivare organi. Avendo a disposizione le giuste molecole di segnalazione e il giusto ambiente tridimensionale, le cellule ES si organizzano in tessuti complessi detti organoidi, persino in vitro. Questa capacità è importante per i ricercatori che, come James Wells del Children's Hospital di Cincinnati, in Ohio, stanno sviluppando organi intestinali per testare i farmaci, e forse un giorno, per i trapianti.

E nuove fonti di cellule staminali embrionali hanno presentato altre possibilità di ricerca per le malattie genetiche. Nel 2004, per esempio, i medici della fertilità di Chicago iniziarono a produrre linee di cellule ES a partire da embrioni creati attraverso la fecondazione in vitro nei quali erano stati trovati difetti genetici, e che quindi erano inadatti ai trattamenti per la fertilità.

Questo permise al gruppo di creare modelli cellulari della talassemia, della malattia di Huntington, della sindrome di Marfan, della distrofia muscolare e di altre patologie genetiche. Nel 2007, i ricercatori usarono le staminali embrionali per individuare i cambiamenti molecolari che portano a disabilità cognitive in una condizione ereditabile nota come sindrome dell'X fragile.

I ricercatori dicono che le cellule iPS promettono ancora di più per gli studi in vitro delle malattie, vale a dire la capacità di coltivare staminali da qualsiasi persona vivente con una condizione genetica sospetta. Ma molti ricercatori vedono forti potenzialità in quest'area anche per le cellule staminali embrionali. Alcune condizioni causano danni alle cellule adulte che rendono ben poco informative le cellule iPS derivate da esse. E inoltre le cellule staminali embrionali hanno anche un ruolo da "comprimarie".

Nel 2008, per esempio, Kevin Eggan della Harvard a di Cambridge, in Massachusetts, produsse linee cellulari iPS da persone affette da sclerosi laterale amiotrofica (SLA). Dal precedente lavoro con le ES, Eggan sapeva in che modo le cellule pluripotenti possono essere indotte a diventare motoneuroni, le cellule cerebrali colpite dalla malattia. Facendo lo stesso con le cellule iPS derivate dai pazienti, poté confrontare rapidamente i due tipi di cellule. Le cellule dei pazienti si attivavano molto più delle loro controparti tratte da persone prive della malattia. "Abbiamo approfittato di tutto il lavoro che avevamo fatto con le cellule ES per capire i motoneuroni", dice Eggan. Ora è in fase di test negli esseri umani un farmaco antiepilettico che "tranquillizza" le cellule iPS create a partire dai pazienti. I risultati sono attesi nei prossimi mesi.

Egli e Nissim Benvenisty della Hebrew University a Gerusalemme hanno ribaltato consolidati concetti della biologia umana quando hanno derivato linee di cellule ES con appena metà del numero normale di cromosomi. I ricercatori stanno ora iniziando a usare strumenti di modificazione genica su queste ES aploidì per capire come funzionano i geni nella fase di sviluppo. Poiché hanno un solo insieme di geni di cui preoccuparsi, le cellule potrebbero fornire risultati molto più diretti, dice Egli.

Non tutti i progressi nella ricerca sulle malattie con staminali embrionali sono stati realizzati senza intoppi. Douglas Melton, dell'Harvard Stem Cell Institute, ha impiegato 15 anni per trasformare le cellule ES in cellule β - le cellule pancreatiche in grado di percepire il glucosio e produrre insulina - che fossero funzionali. Poi non è riuscito a trovare alcuna differenza tra le cellule pancreatiche prodotte da normali cellule ES e cellule iPS ottenute da persone con diabete di tipo 1 o 2. "Sappiamo che c'è una suscettibilità genetica, ma questo non significa che si può vedere in vitro," dice.

Rinascita cellulare

Melton ha ancora dei progetti per le cellule β che ha ottenuto da cellule ES. Spera di trapiantarle in persone con diabete di tipo 1 per porre fine, o almeno ridurre, la loro dipendenza dalle iniezioni di insulina. L'ultimo ostacolo è l'introduzione delle cellule in un modo che consenta loro di non essere distrutte dal sistema immunitario.

La Semma Therapeutics, una società che Melton ha fondato a Cambridge, si propone di farlo collocando le cellule in un "sacchetto" che permetta il passaggio delle sostanze nutritive e dell'insulina, ma blocchi l'accesso alle cellule immunitarie. Prevede di iniziare le sperimentazioni cliniche entro tre anni. La ViaCyte di San Diego, in California, ha appena riavviato uno studio clinico simile che aveva iniziato nel 2014 dopo aver riprogettato la sua tecnologia di incapsulamento. E altre società, come la Novo Nordisk in Danimarca, stanno avviando programmi per il diabete che usano cellule derivate da cellule ES.

Rosette neurali ottenute da iPS. (Cortesia Ki-Jun Yoon) / Neural rosettes obtained from iPS.

In ambito clinico, molti hanno supposto che iPS avrebbero finito per avere la meglio sulle ES. Un potenziale vantaggio è che possono produrre cellule e tessuti con lo stesso DNA del paziente e, quindi, non causare una reazione immunitaria quando vengono trapiantati. Ma per la maggior parte delle malattie genetiche, compreso il diabete di tipo 1, le cellule iPS create da un paziente conterrebbero la mutazione che causa il problema e le cellule dovrebbero essere modificate per ottenere un beneficio terapeutico.

Poi c'è la questione dei costi. Preparare una singola linea di cellule iPS per uso clinico costerebbe circa un milione di dollari, dice Jeanne Loring, biologa delle cellule staminali allo Scripps Research Institute a La Jolla, in California. Un costo attualmente proibitivo se l'obiettivo è quello di usare le cellule di un paziente, ma Loring si aspetta che il prezzo scenda e sta lavorando allo sviluppo di cellule iPS come terapia per il morbo di Parkinson.

Finora i ricercatori hanno avviato un solo studio sull'uomo in cui sono state usate cellule derivate da cellule iPS. Diretto dall'oftalmologo Masayo Takahashi del RIKEN Center for Developmental Biology, si proponeva di curare la degenerazione maculare, ma è stato interrotto nel 2014 quando i ricercatori hanno deciso di semplificare la procedura e usare cellule staminali derivate da un donatore, invece che dal paziente. Lo studio è ripartito nel 2017, ma ha subito un altro stop a gennaio, quando nell'occhio di un partecipante si è sviluppata una membrana che ha dovuto essere rimossa chirurgicamente.

La degenerazione maculare è stata spesso un obiettivo delle terapie con cellule ES. Negli Stati Uniti, nel Regno Unito, nella Corea del Sud, in Cina e in Israele sono state effettuate almeno sei sperimentazioni cliniche. Il 19 marzo scorso, alcuni ricercatori diretti dall'oftalmologo Pete Coffey, direttore del London Project to Cure Becdnessn e dell'Università della California a Santa Barbara hanno riferito i risultati di uno studio per l'impianto di un patch di cellule ottenute da cellule ES nella retina danneggiata di due individui. Un anno dopo la procedura, i partecipanti avevano riacquistato la capacità di leggere, anche se lentamente.

Alan Marmorstein, oftalmologo alla Mayo Clinic di Rochester, Minnesota, lo definisce un "grande passo avanti" per il settore. "Questa è la prima forte indicazione di efficacia negli esseri umani e certamente supporta ulteriori studi in altre parti del corpo", dice. Coffey dice che le scoperte stanno finalmente arrivando perché gli scienziati stanno ora cercando il modo migliore per introdurre le cellule nelle persone. "Un decennio fa, pensavamo: 'Basta introdurre le cellule, e sapranno cosa fare'. Non è così, devono essere controllate in qualche modo appropriato".

Molti, nel campo delle cellule staminali, scommettono che la prossima grande scoperta clinica per le cellule staminali embrionali umane riguarderà il morbo di Parkinson. Il disturbo è causato da una perdita del neurotrasmettitore dopamina, e una mezza dozzina di aziende e cliniche si stanno attrezzando per utilizzare cellule ES o cellule iPS per sostituire i neuroni produttori di dopamina.

Una questione cruciale è fino a che punto le cellule pluripotenti debbano essere portate verso la maturità prima di essere trapiantate. Uno studio australiano iniziato nel 2016 e uno cinese iniziato nel 2017 usano cellule progenitrici neurali non mature, che non producono dopamina. I ricercatori dicono che l'immaturità delle cellule le aiuterà a sopravvivere al trapianto e a integrare nel cervello del loro nuovo ospite. Ma i responsabili di un gruppo di studi sulle cellule ES e iPS (noti collettivamente come Gforce-PD) dicono che le cellule più mature che usano per trasformarle nel tipo desiderato di cellule produttrici di dopamina sono più affidabili e hanno meno probabilità di crescere fuori controllo.

Un percorso ancora aperto
La ricerca sulle cellule ES ha ancora spazio per crescere se riuscirà a superare alcuni ostacoli. Un grosso problema è che molti tipi di cellule sono difficili da produrre. Melton stima che solo una decina di tipi di cellule finora creati sono veramente equivalenti dal punto di vista funzionale alle cellule umane normali. E alcuni degli impieghi potenzialmente più estesi, come gli ovuli e gli spermatozoi, continueranno a rappresentare una sfida per il prossimo futuro.

Il settore si trova anche a dover affrontare incertezze in merito ai finanziamenti. Agli scienziati sono giunte spesso voci secondo cui il presidente degli Stati Uniti Donald Trump potrebbe imporre nuove restrizioni ai finanziamenti federali per la ricerca sulle staminali embrionali umane.

Ma nonostante le difficoltà incontrate nella loro storia, le cellule ES hanno dimostrato ripetutamente il loro valore, e in alcuni modi imprevedibili, dicono molti ricercatori. Alcuni ricercatori hanno addirittura ridotto l'uso di modelli animali perché le cellule staminali embrionali sembrano fornire un percorso migliore per studiare le malattie umane. "Il mio motto era: 'tutto umano, sempre'" dice Melton.

Yamanaka dice che le cellule ES sono state la motivazione per il suo lavoro sulle cellule iPS. Ed è stata la ricetta di Thomson per le cellule umane ES a permettere il passaggio da cellule di topo a cellule umane iPS in un solo anno, dopo che c'erano voluti quasi vent'anni per passare da cellule di topo ES alla varietà umana. "Sapevamo esattamente come coltivare le cellule iPS umane", dice Yamanaka.

Oggi le cellule staminali embrionali sono altrettanto cruciali, dice, per comprendere meglio il meccanismo della pluripotenza e per migliorare l'applicazione medica di qualsiasi cellula pluripotente. "L'importanza delle cellule umane ES non è inferiore a quella di 20 anni fa, e non credo che lo sarà meno in futuro", afferma.

ENGLISH

After twenty years of hopes, bans, promises and controversies, the stem cells of the human embryo are reshaping biological concepts and are finally starting to enter clinical practice

In 1998, when researchers began to study how to extract human embryonic stem cells, Dieter He was about to start graduate school. In the following two decades, these prolific cells were a fixture of his career. The biologist, now at Columbia University, used them to explore how the DNA of adult cells can be reprogrammed in an embryonic state, and to address issues related to diabetes development and therapy. It has also helped develop a completely new form of human embryonic stem cells that could simplify the study of the activity of different human genes.

The wide range of his research has made him a leader in embryonic stem cell biology, a sector tested by limited funding and enthusiasm for competing technologies that do not raise the same ethical problems. However, many say that human embryonic stem cells are more relevant today than ever before. "I am very enthusiastic about embryonic stem cells," he says. "They will lead to unprecedented discoveries that will transform life, I have no doubts."

Embryonic stem cells (SE) provide unparalleled information on early development. Like astronomers looking at the big bang to reach a fundamental understanding of the universe, biologists focus on the molecules within these particular entities to get clues about how a single original cell turns into billions of cells, with a dizzying range of shapes and functions.

Scientists have learned to turn these cells into dozens of mature cell types that represent the various tissues and organs of the body. They are used to test drugs, to shape the disease and, increasingly, as injective therapies in the body. Starting from an attempt to repair spinal cord injuries in 2010, in more than a dozen clinical trials, ES cell cells were created to treat, among other things, Parkinson's disease and diabetes. The first results suggest that some approaches are working: a long-awaited report has recently shown an improvement in two people with senile macular degeneration, a disease that progressively destroys vision.

"In some ways, it's not a surprise, because we expected it 20 years ago - he says - but I'm still amazed that this promise is coming true".

Start uncertain

It was 1981 when the researchers first succeeded in cultivating stem cells from mouse embryos. The research potential of these fascinating entities, which can both replicate and be induced to become one of the more than 200 types of cells in the body, was soon recognized, but the procedure was not easy to accomplish in primates. The biologist James Thomson, of the University of Wisconsin at Madison, took another 14 years to do it in monkeys, in 1995. Three years later, using embryos donated for fertility treatments that had remained unused, Thomson re-centered, creating the the world's first line of human ES cells.

The discovery sparked an ethical fire storm. Critics, mostly from religious circles, argued that embryos are human beings and wanted to prevent any research that destroyed them. In 2001, US President George W. Bush limited federal funding to research on the few existing European stem cell lines. The decision forced those wishing to conduct research in the United States to seek private or state funding, and often to duplicate the laboratories, one for ES cell research and the other for work financed by the US federal government. In other countries, including Germany and Italy, cell creation was banned altogether.

However, where it was possible, the research went on. Researchers working in Australia, Singapore, Israel, Canada and the United States, and other countries, soon reported that they converted embryonic stem cells into neurons, immune cells, and contractile cardiac cells.

Projects were also discussed to extract stem cells from embryos made with a process called somatic cell nuclear transfer - the same method used to create cloned animals like the Dolly sheep - in which the nucleus from an adult donor cell is transferred into a human egg cell from which nucleus was removed.

The logic of this "therapeutic cloning" was to provide an unlimited source of dynamic cells with the same DNA as the donor. We began talking about studying complex genetic diseases in vitro and replacing damaged organs and tissues in the same way that a mechanic replaces parts of cars with spare parts.

There were several false beginnings, particularly in 2005, when it was discovered that South Korean scientist Woo Suk Hwang had fraudulently claimed to have isolated stem cells in this way. But by 2013, a team led by Shoukhrat Mitalipov, stem cell researcher at Oregon Health and Science University in Portland, finally succeeded.

During the first 15 years, however, much research on ES cells has focused on the use of cells to understand pluripotency, the amazing ability to become any type of cell. Gradually, scientists have reconstructed the molecular pathways that make it possible. "We learned pluripotency from ES cells," says Mitalipov.

These researches contributed to the greatest innovation in regenerative medicine and biological research of the 2000s: the discovery of induced pluripotent stem cells (iPS).

In 2006, Shinya Yamanaka, from Kyoto University, studied how to report adult mouse cells in embryo using only four genetic factors. The following year, he and Thomson achieved the same result with human cells. The process offers, in theory, the same potential benefits of therapeutic cloning - an unlimited availability of genetically combined pluripotent cells to a patient - but without ethical doubts.

Many predicted that iPS cells would soon replace embryonic stem cells in research, but it did not happen. After 2006, the number of publications on ES cells has grown rapidly and has become constant, reaching around 2000 per year since 2012. Part of the reason was that ES cells were the gold standard against which researchers could compare iPS cells. And even today there are some who doubt the safety of the use of iPS cells. Zhou Qi, a stem cell biologist at the Institute of Zoology of the Chinese Academy of Sciences in Beijing, says the concern that iPS cells can cause cancer has inspired him to use ES stem cells in more than a dozen clinical trials who is preparing.

Much of human embryonic stem cell research has been conducted to make it easier to work on it. Their derivation was initially a rather thorny process: taking one to cultivate it and obtaining a new population had succeeded less than 1 percent of the time.

Some progress has changed the situation. In 2007, for example, Yoshiki Sasai of the RIKEN Center for Developmental Biology in Kobe, Japan, discovered a molecule called the ROCK12 inhibitor, which could prevent ES cells from dying once removed from the colonies in which they lived. So the rate of success in creating new settlements rose to 27 percent.

"It has radically changed the outlook on what could be done," says Malin Parmar, a cell biologist at the University of Lund in Sweden. Parmar, who uses human embryonic stem cells to derive neurons for a clinical study of Parkinson's disease, says these technical advances have ushered in "a new golden age" for embryonic stem cell research.

Now the cells can be produced quickly, reliably and for an unlimited time. And somehow they avoid turning into cancer, as some feared. "We still do not know why or how" they maintain this balance, says Hiromitsu Nakauchi, a stem cell biologist at the University of Tokyo, who has tried to produce unlimited amounts of blood platelets from ES and iPS cells.

Time to diversify

Researchers are also trying to grow organs. Having the right signaling molecules and the right three-dimensional environment available, ES cells are organized into complex tissues called organoids, even in vitro. This ability is important for researchers who, like James Wells of the Children's Hospital in Cincinnati, Ohio, are developing intestinal organs to test drugs, and perhaps one day, for transplants.

And new sources of embryonic stem cells have presented other research possibilities for genetic diseases. In 2004, for example, Chicago fertility physicians began producing ES cell lines from embryos created through in vitro fertilization in which genetic defects were found, and were therefore unsuitable for fertility treatments.

This allowed the group to create cell models of thalassemia, Huntington's disease, Marfan's syndrome, muscular dystrophy and other genetic diseases. In 2007, researchers used embryonic stem cells to detect molecular changes that lead to cognitive disabilities in a heritable condition known as fragile X syndrome.

Researchers say iPS cells promise even more for in vitro disease studies, namely the ability to grow stem cells from any living person with a suspected genetic condition. But many researchers see strong potential in this area also for embryonic stem cells. Some conditions cause damage to adult cells that make iPS cells derived from them very uninformative. Moreover, embryonic stem cells also have a role of "comprimarie".

In 2008, for example, Kevin Eggan of Harvard in Cambridge, Massachusetts, produced iPS cell lines from people with amyotrophic lateral sclerosis (ALS). From previous work with ES, Eggan knew how pluripotent cells can be induced to become motor neurons, the brain cells affected by the disease. By doing the same with the iPS cells derived from the patients, he was able to quickly compare the two types of cells. Patient cells became much more active than their counterparts from people without the disease. "We took advantage of all the work we had done with ES cells to understand motor neurons," says Eggan. An anti-epileptic drug is now being tested in humans that "pacifies" iPS cells created from patients. The results are expected in the coming months.

He and Nissim Benvenisty of Hebrew University in Jerusalem overturned established concepts of human biology when they derived ES cell lines with just half the normal number of chromosomes. Researchers are now starting to use gene modification tools on these haploid ESs to understand how genes work in the development phase. Because they have only one set of genes to worry about, cells could provide much more direct results, he says.

Not all progress in research on diseases with embryonic stem cells has been achieved without a hitch. Douglas Melton, of the Harvard Stem Cell Institute, spent 15 years turning ES cells into β cells - pancreatic cells that can sense glucose and produce insulin - that are functional. Then he could not find any difference between the pancreatic cells produced by normal ES cells and iPS cells obtained from people with type 1 or 2 diabetes. "We know there's a genetic susceptibility, but that does not mean you can see it in vitro, "he says.

Cellular rebirth

Melton still has some projects for β cells that he got from ES cells. He hopes to transplant them into people with type 1 diabetes to end, or at least reduce, their dependence on insulin injections. The last obstacle is the introduction of cells in a way that allows them not to be destroyed by the immune system.

Semma Therapeutics, a company that Melton founded in Cambridge, aims to do so by placing cells in a "bag" that allows the passage of nutrients and insulin, but blocks access to immune cells. It plans to start clinical trials within three years. The ViaCyte in San Diego, Calif. Has just restarted a similar clinical study that started in 2014 after redesigning its encapsulation technology. And other companies, such as Novo Nordisk in Denmark, are launching programs for diabetes that use cells derived from ES cells.

In the clinical setting, many have hypothesized that iPS would end up getting the most out of ES. A potential advantage is that they can produce cells and tissues with the same DNA as the patient and, therefore, do not cause an immune reaction when they are transplanted. But for most genetic diseases, including type 1 diabetes, iPS cells created by a patient would contain the mutation that causes the problem and the cells should be modified to achieve therapeutic benefit.

Then there is the question of costs. Preparing a single line of iPS cells for clinical use would cost about a million dollars, says Jeanne Loring, stem cell biologist at the Scripps Research Institute in La Jolla, California. A currently prohibitive cost if the goal is to use a patient's cells, but Loring expects the price to drop and is working on the development of iPS cells as a therapy for Parkinson's disease.

So far, researchers have started only one human study in which cells derived from iPS cells have been used. Directed by ophthalmologist Masayo Takahashi of the RIKEN Center for Developmental Biology, it aimed to treat macular degeneration, but was discontinued in 2014 when researchers decided to simplify the procedure and use stem cells derived from a donor, rather than from the patient. The study resumed in 2017, but suffered another stop in January, when a membrane developed in the eye of a participant that had to be removed surgically.

Macular degeneration has often been a goal of ES cell therapies. At least six clinical trials have been performed in the United States, the United Kingdom, South Korea, China and Israel. On 19 March, researchers directed by ophthalmologist Pete Coffey, director of the London Project to Cure Becdnessn and the University of California at Santa Barbara, reported the results of a study for the implantation of a patch of cells obtained from ES cells. in the damaged retina of two individuals. One year after the procedure, participants had regained the ability to read, albeit slowly.

Alan Marmorstein, an ophthalmologist at the Mayo Clinic in Rochester, Minnesota, calls it a "big step forward" for the industry. "This is the first strong indication of efficacy in humans and certainly supports further study in other parts of the body," he says. Coffey says the findings are finally coming because scientists are now looking for the best way to introduce cells into people. "A decade ago, we thought, 'Just introduce the cells, and they'll know what to do." That's not the case, they have to be controlled in some appropriate way. "

Many, in the field of stem cells, are betting that the next major clinical discovery for human embryonic stem cells will affect Parkinson's disease. The disorder is caused by a loss of the neurotransmitter dopamine, and half a dozen companies and clinics are gearing up to use ES cells or iPS cells to replace dopamine-producing neurons.

A crucial question is to what extent pluripotent cells should be brought to maturity before being transplanted. An Australian study started in 2016 and a Chinese study started in 2017 using unripe neural progenitor cells that do not produce dopamine. Researchers say the immaturity of the cells will help them survive the transplant and integrate them into their new host's brain. But those responsible for a group of ES and iPS cell studies (collectively known as Gforce-PD) say that the more mature cells they use to transform them into the desired type of dopamine-producing cells are more reliable and less likely to grow out of control .

A route still open

ES cell research still has room to grow if it can overcome some obstacles. A big problem is that many types of cells are difficult to produce. Melton estimates that only a dozen types of cells created so far are truly equivalent from a functional point of view to normal human cells. And some of the potentially larger uses, such as eggs and sperms, will continue to be a challenge for the foreseeable future.

The sector also has to face uncertainties regarding loans. Scientists have often heard rumors that US President Donald Trump may impose new restrictions on federal funding for human embryonic stem cell research.

But despite the difficulties encountered in their history, ES cells have repeatedly demonstrated their value, and in some unpredictable ways, many researchers say. Some researchers have even reduced the use of animal models because embryonic stem cells seem to provide a better path for studying human diseases. "My motto was: 'all human, always'" says Melton.

Yamanaka says that ES cells were the motivation for his work on iPS cells. And it was Thomson's recipe for human ES cells to allow the transition from mouse cells to human iPS cells in just one year, after it took almost twenty years to switch from mouse-to-human ES cells to the human variety. "We knew exactly how to grow human iPS cells," says Yamanaka.

Today, embryonic stem cells are just as crucial, he says, to better understand the mechanism of pluripotency and to improve the medical application of any pluripotent cell. "The importance of ES human cells is not less than 20 years ago, and I do not think it will be less in the future," he says.

Da:

http://www.lescienze.it/news/2018/04/25/news/staminali_embrionali_umane_successi_difficolta_-3950734/?ref=nl-Le-Scienze_27-04-2018