Cell

I rapidi progressi nell’ultimo decennio nel campo della ricerca umana di cellule staminali pluripotenti ha generato speranza per soddisfare la crescente domanda di donazione di organi, che rimane l'unica cura efficace per l'insufficienza terminale d'organo, una delle principali cause di morte nel mondo. Nonostante il potenziale, la generazione di interi organi trapiantabili da cellule staminali pluripotenti è al momento ancora impossibile. Una strategia basata sullo sviluppo di chimere tra specie diverse utilizzando cellule staminali pluripotenti inserite nella blastocisti durante lo sviluppo embrionale potrebbe garantire un fonte illimitata di organi.
Background: Fino ad oggi, tutti i tentativi di utilizzare cellule staminali pluriputenti umane  per generare chimere interspecie hanno utilizzato il topo come animale ospite, ed i risultati ottenuti suggeriscono che questo processo è piuttosto inefficiente (Gafni et al 2013.; Theunissen et al., 2014, 2016). Anche se il topo è uno dei modelli sperimentali più importante per la ricerca sulle cellule staminali, vi sono notevoli differenze tra lo sviluppo embrionale dell’uomo e quello del topo (ad esempio, un precoce sviluppo post impianto, le dimensioni degli embrioni, la lunghezza della gestazione, la velocità di sviluppo), che possono ostacolare non solo la  efficienza ma anche l'utilità di  eventuali studi su chimere uomo-topo.
Obiettivo: Valutare la capacità di creare chimere interpecie utilizzando cellule staminali umane pluripotenti ottenute dalla riprogrammazione (iPS)  e blasotocisti di due specie di ungulati, suini e bovini.
Metodi e Risultati: Al fine di acquisire una migliore comprensione dei fattori in grado di regolare lo sviluppo delle chimere interspecie, gli autori hanno inizialmente utilizzato un modello topo-ratto. Linee di cellule staminali embrionali o pluripotenti riprogrammate di ratto sono state marcate con una sonda fluorescente e sono state iniettate in blastocisti di topo, a loro volta impiantate in topo. Circa il 20% delle blastocisti impiantate ha dato vita ad animali adulti chimerici indicando che le cellule di ratto xenogeniche sono in grado di sostenere i requisiti fisiologici dell'ospite topo. In termini di chimerismo tutti gli organi di topo hanno mostrato la presenza di cellule di ratto, con percentuali variabili dallo 0,1% (muscolo, rene e fegato) al 10% (cuore, polmone). Per ottenere animali chimerici in cui un singolo organo sia derivato prevalentemente dalle staminali xenogeniche impiantate nella blastocisti, gli autori hanno applicato una strategia di modificazione genetica dell’ospite. In pratica l’ipotesi di lavoro è che se nella blastocisti dell’ospite impedisco mediante modificazione genica lo sviluppo di un organo, le cellule staminali xenogeniche impiantate nella blasotocisti andranno di  vicariare la mancanza dando vita ad un organo xenogenico nell’ospite. Al fine di provvedere una prova di concetto, il gene Pdx-1 che è fondamentale per lo sviluppo del pancreas (la sua assenza produce l’agenesia del pancreas sia nell’uomo che nel topo) è stato soppresso mediante gene editing (CRISPR-Cas9) nello zigote di topo creando una blastocisti non in grado di dare vita ad individui adulti con pancreas. Quindi le cellule staminali xenogeniche di ratto  sono state inserite nella blastocisti. L’impianto ha dato vita a topi adulti con pancreas costituito da cellule di ratto. Lo stesso tipo di approccio è stato applicato con successo anche con altri target quali Nkx2.5 (rilevante per lo sviluppo cardiaco) e Pax6 (rilevante per lo sviluppo dell’occhio) dimostrando che l’approccio può essere esteso in modo sistematico, costituendo una vera e propria piattaforma sperimentale. Infine gli autori hanno applicato la stessa strategia utilizzando cellule staminali di uomo in blastocisti di maiale o bovino. Seppur con minore efficienza rispetto al modello ratto-topo, è stato dimostrata la possibilità di ottenere embrioni chimerici uomo maiale.
Conclusione: Le procedure e le osservazioni riportate sulla capacità delle cellule staminali pluripotenti umane di integrare e differenziare in un embrione di un ungulato, anche se ad un livello basso e efficienza, costituiscono un primo passo verso la realizzazione di chimere interspecie con componenti umane.
Commento: Questo lavoro insieme ad uno analogo uscito in contemporanea su Nature  (Yamaguchi T, Sato H, Kato-Itoh M, Goto T, Hara H, Sanbo M, Mizuno N, Kobayashi T, Yanagida A, Umino A, Ota Y, Hamanaka S, Masaki H, Rashid ST, Hirabayashi M, Nakauchi H. Interspecies organogenesis generates autologous functional islets. Nature. 2017 Jan 25. doi: 10.1038/nature21070) costituisce un punto di svolta nel campo della medicina rigenerativa, aprendo un orizzonte inimmaginabile fino a poco tempo fa. Infatti, l’avanzamento delle tecniche di manipolazione genetica e della conoscenza della biologia delle cellule staminali ha permesso di realizzare chimere ratto topo e uomo maiale. Sebbene la prova di principio è stata sviluppata, la possibilità di utilizzare questo approccio nella terapia umana rimane ancora difficile da immaginare. Al momento il modello ratto-topo appare estremamente efficiente e ha già dimostrato essere in grado di poter procurare isole pancreatiche funzionanti per la terapia del diabete. Viceversa, seppur la prova di principio esista anche nell’utilizzo della chimera maiale uomo, la strada appare molto più impervia. Biologicamente l’efficienza è molto minore e l’inserimento di cellule umane nell’embrione di maiale ha mostrato limiti importanti. Al di là della sfida biotecnologica, questioni etiche spinose sono strettamente intrecciate nella ricerca nel campo delle chimere umane. Anche ipotizzando l’approccio selettivo (dove per esempio una chimera di maiale idealmente ha cellule umane che contribuiscono solo ad un organo come un rene o il pancreas) uno dei dilemmi etici è se la chimera possa essere sacrificata al fine di ottenere un organo. Non è chiaro se cioè una chimera uomo-animale abbia una identità etica diversa rispetto a quella animale. Altri problemi etici correlati alle chimere è quale sia il contributo quantitativo che le cellule umane possono avere tra le cellule cerebrali della chimera e  se ci debba essere un eventuale limite. Inoltre ovviamente esiste un enorme problema etico nel caso di qualsiasi contributo umano a cellule germinali.  Nel complesso, questo è una ricerca emozionante ma estremamente difficile eticamente. La speranza a lungo termine è quella di avere una fonte di organi per curare e salvare la vita di molte persone, molti dei quali muoiono in lista d'attesa. Questo sviluppo  però pone questioni bioetiche che devono essere affrontate quanto prima.

A cura di Margherita Occhipinti e Lorenzo Piemonti

Wu J, Platero-Luengo A, Sakurai M, Sugawara A, Gil MA, Yamauchi T, Suzuki K, Bogliotti YS, Cuello C, Morales Valencia M, Okumura D, Luo J, Vilari√±o M, Parrilla I, Soto DA, Martinez CA, Hishida T, S√°nchez-Bautista S, Martinez-Martinez ML, Wang H, Nohalez A, Aizawa E, Martinez-Redondo P, Ocampo A,  Reddy P, Roca J, Maga EA, Esteban CR, Berggren WT, Nu√±ez Delicado E, Lajara J, Guillen I, Guillen P, Campistol JM, Martinez EA, Ross PJ, Izpisua Belmonte JC. Interspecies Chimerism with Mammalian Pluripotent Stem Cells. Cell. 2017 Jan 26;168(3):473-486.e15. doi: 10.1016/j.cell.2016.12.036. PubMed PMID: 28129541