Il midollo osseo o emopoietico è l’organo in cui avviene la produzione e la maturazione di tutte le cellule del sangue:
° i globuli rossi, o eritrociti, cellule specializzate nel trasporto dell’ossigeno ai tessuti;
° le piastrine o trombociti, specializzate nel riparare le lesioni di continuo delle pareti vascolari ed arrestare la fuoriuscita del sangue stesso al di fuori del letto vascolare;
° i globuli bianchi o leucociti, termine generico per indicare 3 diversi tipi cellulari: GRANULOCITI (neutrofili, eosinofili, basofili) che intervengono nella difesa aspecifica dell’organismo nel corso di infezioni batteriche e parassitarie; LINFOCITI, cellule deputate alla difesa immunitaria in grado di elaborare sia una risposta umorale anticorpale, sia una risposta specifica cellulare contro batteri, virus, cellule tumorali o trapiantate; MONOCITI, che collaborano con gli altri tipi di leucociti alla difesa dell’organismo.
Il midollo emopoietico è localizzato nella parte più interna di molte ossa (vertebre, ossa del cranio, coste, ossa lunghe delle braccia e delle gambe), la cosiddetta parte spugnosa, dove le cellule emopoietiche sono mescolate al grasso e ad altri tipi di cellule che formano lo Stroma, un tessuto di sostegno e nutrizione delle cellule emopoietiche stesse. Come ogni altro organo il midollo osseo possiede il proprio sistema di innervazione e vascolarizzazione: il rifornimento di sangue è assicurato dall’arteria nutritizia i cui capillari formano all’interno della cavità midollare una rete di sinusoidi tra le cui maglie ha luogo l’emopoiesi. La rete di sinusoidi confluisce nel sistema venoso centrale dell’osso e da qui il sangue midollare rientra nella circolazione venosa sistemica. Elemento fondamentale è la costituzione dei vasi le cui pareti sono estremamente sottili e rivestite da un singolo strato di cellule avventiziali. Le cellule endoteliali che rivestono il lume dei vasi formano una specie di barriera destinata a limitare l’ingresso di sostanze estranee e a regolare, grazie a specifici recettori, il passaggio delle cellule sia in entrata sia in uscita dal midollo.
Il sangue, inteso come unità di matrice emopoietica e cellule circolanti, è un tessuto complicato, in cui numerosi elementi sono selezionati, organizzati e regolati come strumenti di un’orchestra sinfonica, al fine di ottenere un risultato armonioso, stabile ed efficace. La formazione del sangue dipende dall’esistenza di una cellula detta STAMINALE MULTIPOTENTE, riconosciuta per la capacità di formare colture in vitro a lungo termine. Essa si trova al vertice di un albero che si ramifica verso il basso, dividendosi in due progenitori a potenzialità differenziativa ristretta alla serie linfopoietica e mielopoietica; le diramazioni successive portano verso altri progenitori orientati in senso gerarchico, con capacità differenziativa via via più limitata e specifica, fino a culminare nelle cellule che costituiscono la popolazione emopoietica morfologicamente riconoscibile nel midollo osseo e, infine, negli elementi maturi che circolano nel sangue periferico.
Le cellule staminali emopoietiche sono i capostipiti che hanno il compito di produrre tutte le cellule che circolano nel sangue periferico attraverso un processo articolato e strettamente controllato detto Emopoiesi. L’aggettivo “staminale” deriva dal latino stamen, filo, al quale in modo figurato è legata la vita di ogni uomo: quello che nella mitologia è filato e reciso dalle Parche.
Le cellule staminali hanno proprietà peculiari: hanno la capacità di automantenersi, di differenziarsi nei vari tipi cellulari e di generare colonie cellulari quando vengono coltivate in vitro, in laboratorio. La capacità di automantenersi consente loro di non esaurirsi nel tempo e dipende dal fatto che al momento della sua divisone la cellula staminale genera cellule figlie (divisione simmetrica), da cui verrà sostituita, che possiedono il suo stesso grado di differenziazione e cellule figlie (divisione asimmetrica) con un più avanzato grado di differenziazione e maturazione.
Pertanto, proliferando e differenziandosi, la cellula staminale dà origine ad un sempre maggior numero di cellule figlie che perdono progressivamente la loro capacità di automantenimento e acquisiscono una sempre più ristretta capacità differenziativa e maturativa , processo definito COMMITMENT cioè commisionamento. Le cellule staminali emopoietiche vennero per la prima volta dimostrate nel topo con il “colony-forming-unit spleen assay”, basato sulla capacità di cellule emopoietiche di dare origine a colonie spleniche (cioè della milza) in un topo che dodici giorni prima era stato sottoposto ad irradiazione letale. Da questa prima dimostrazione sono stati compiuti molti progressi nello sviluppo di metodiche che consentono di meglio caratterizzare le cellule staminali.
Tutti gli studi riguardanti le cellule staminali sono basati sull’analisi in vitro della clonalità cioè sulla possibilità di seguire una singola cellula staminale e la sue progenie (Test di clonogenicità). Tale tecnica ha permesso di definire le caratteristiche salienti delle cellule staminali emopoietiche:
- ) sono capaci di creare un equilibrio tra automantenimento e differenziamento;
- ) sono multipotenti: una singola cellula staminale produce almeno 8-10 linee distinte di cellule mature del sangue;
- ) ciascuna cellula è capace di generare una progenie di cellule mature sufficiente a garantire la ripresa dell’emopoiesi dopo un trapianto;
- ) sono rare, avendo una frequenza compresa tra 1: 10000 e 1: 100000 cellule nel caso del midollo osseo;
- ) sono quiescenti, possedendo un basso indice mitotico nel sistema emopoietico dell’adulto.
L’impiego di questi sistemi di coltura, inizialmente usati per lo studio della cellula staminale murina e successivamente adattati allo studio di quella umana, ha permesso di valutare alcuni aspetti funzionali della cellula staminale emopoietica e d’individuare e quantificare diversi tipi di cellule progenitrici orientate verso l’una o verso l’altra linea differenziativa. Sono disponibili sistemi di coltura a breve, medio e lungo termine che consentono di esaminare le varie classi di cellule staminali: esse differiscono per la cinetica di ricostituzione midollare: quelle a breve termine danno luogo alla ripopolazione cellulare nelle prime settimane dopo il trapianto ma non sono dotate di vita lunga; quelle a lungo termine sono responsabili della ripopolazione cellulare duratura che inizia pochi mesi dopo la prima ricostituzione e si mantiene per tutto l’arco della vita; quelle a medio termine agiscono da ponte tra la fase precoce (colture a breve termine) e quella tardiva (colture a lungo termine). Di solito le colture a breve termine consentono di dimostrare variazioni di numero dei progenitori emopoietici, di valutare la risposta ai diversi fattori di crescita e di stabilire quale sia l’azione dei fattori di regolazione sui progenitori emopoietici con diverso livello di differenziazione.
Le caratteristiche della membrana cellulare delle cellule staminali sono state poco a poco definendosi (Immunofenotipo); tuttavia una popolazione capace di ricostituire l’emopoiesi di un ricevente precedentemente sottoposto a chemioterapia mostra la presenza sulla propria membrana di due proteine particolari dette CD34 e AC133. Tali sostanze sono state utilizzate in vari studi clinici per individuare i progenitori emopoietici.
Le cellule staminali ed i progenitori emopoietici, dopo la nascita e negli individui adulti, sono localizzate nel midollo osseo, dove, in condizioni stazionarie, si dividono molto lentamente, con un equilibrio molto fragile tra automantenimento, differenziazione e quiescenza. Alterazioni della regolazione di questo delicato sistema rappresentano la causa della maggior parte delle neoplasie emopoietiche. Il processo di automantenimento e di differenziazione cellulare in progenitori e precursori dell’emopoiesi avviene a livello di specifici siti del midollo osseo noti come nicchie emopoietiche microambientali situate in prossimità delle superfici interne dell’osso. La nicchia delle cellule staminali può essere definita come una struttura in cui le cellule staminali dimorano in condizioni ottimali a garantirne l’automantenimento: esse rappresentano quindi dei depositi di cellule staminali in gran parte silenti la cui differenziazione è inibita. E’ verosimile che le singole cellule staminali siano conservate allo stato quiescente attraverso l’adesione grazie a particolari proteine di ancoraggio alle pareti della nicchia; in presenza di stimoli esterni, come quello prodotto da perdite di sangue e/o terapie citostatiche, l’interazione con molecole di segnale e le conseguenti modificazioni dei fattori di trascrizioni e di altre proteine citoplasmatiche favorirebbero il risveglio e l’entrata in ciclo delle cellule dormienti, con il fine ultimo di ricostituire l’integrità del patrimonio corporeo di cellule ematiche mature.
Le cellule staminali sono caratterizzate da spiccata mobilità: esse sono capaci di entrare, uscire e rientrare nelle nicchie midollare ripetutamente, in funzione di specifici segnali. Questo fenomeno è noto e utilizzato in campo trapiantologico per raccogliere le cellule staminali dal sangue periferico mediante citoaferesi. La nicchia emopoietica anche in virtù della sua organizzazione strutturale svolge funzioni essenziali nel controllo di tale traffico, come anche della divisione e differenziazione delle cellule staminali e dei progenitori emopoietici. Tra cellule staminali e cellule della nicchia viene scambiata una fitta rete di segnali; i contatti intercellulari e quelli con la matrice intercellulare governano, con l’intervento di un gran numero di molecole, la distribuzione spaziale ed il comportamento biologico delle cellule all’interno della nicchia. Altrettanto importante è l’azione di molecole prodotte a distanza, come l’Eritropoietina, e del sistema nervoso centrale, soprattutto per la secrezione a livello della nicchia di noradrenalina che ha importanti effetti sull’emopoiesi.
Il tessuto emopoietico è sempre stato ritenuto un sistema ad organizzazione gerarchica, con il compartimento delle cellule staminali totipotenti all’apice della piramide, il compartimento delle cellule commissionate verso le varie filiere cellulari nel mezzo ed il compartimento delle cellule ormai differenziate lungo una particolare filiera cellulare alla base della piramide. La cellula staminale emopoietica è assolutamente indispensabile per mantenere una normale emopoiesi e per garantire la ripresa dell’emopoiesi dopo un trapianto di midollo osseo sia per la sua capacità clonogenica, sia par la sua capacità di automantenersi dando origine ad altre cellule staminali, sia per la sua capacità differenziativa lungo le varie filiere cellulari.
Attualmente le cellule staminali adulte possono essere utilizzate a scopo clinico per generare cellule appartenenti a tessuti diversi da quello di origine. Questa caratteristica detta PLASTICITA’ è utilizzata per valutare l’efficacia terapeutica a livello trapiantologico. Varie casistiche hanno riportato che il ricevente le cellule staminali sviluppa uno stato di chimerismo (presenza di cellule del donatore accanto a cellule del ricevente) a livello del tessuto epatico, del tessuto nervoso, del tratto gastroenterico e della cute; altri studi condotti su pazienti sottoposti a trapianto di organo solido da donatore di sesso diverso hanno dimostrato la plasticità della cellula staminale presente nel sangue periferico. E’ stato infatti osservato un chimerismo maschile (cellule maschili accanto a cellule femminili) in pazienti di sesso maschile sottoposti a trapianto cardiaco da donatori di sesso femminile ed è stato suggerito che le cellule staminali del ricevente possano favorire il rimodellamento ventricolare del cuore trapiantato.
Al di là degli ipotetici meccanismi che determinano la plasticità della cellula staminale emopoietica, gli scenari trapiantologici che si aprono con il trapianto delle cellule staminali sono immensi: il loro impiego nella riparazione dei tessuti, muscolare, tendineo, miocardico, gastroenterico, nervoso è sicuramente un passo fondamentale anche nella cura di patologie fortemente invalidanti o che possono trasformarsi in patologie addirittura mortali. I vantaggi sono di tipo chirurgico (brevità dell’intervento), riabilitativo (rapido ripristino delle attività), minore possibilità di effetti collaterali infettivi e/o di rigetto. Per essere efficacemente utilizzate è necessario che vengano inoculate nella sede della lesione in concentrazione sufficiente e correttamente guidate da segnali specifici liberatisi dal tessuto danneggiato.
Dott. Pietro Falco
Specialista in Ematologia Clinica
Master in Terapia del Dolore
Master in Ecografia Clinica
Co-responsabile Centro Trombosi F.C.S.A. “Casa di Cura S.Marco” di Latina
Specialista Ematologo Ospedale Israelitico di Roma.
Specialista Ematologo Poliambulatorio “Fisiomed” di Priverno (LT)
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