Sangue artificiale un traguardo sempre più vicino grazie alle Cellule staminali create in laboratorio

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Il sangue artificiale non è più un’ utopia ma è sempre più realtà, grazie a due team di studiosi della Cornell University di New York e dell’Harvard Medical School di Boston i quali hanno condotto due ricerche indipendenti le une dalle altre, creando per la prima volta in laboratorio cellule staminali ematopoietiche, ovvero le cellule staminali dalle quali originano tutte le cellule del sangue, come globuli bianchi, rossi e piastrine. Le cellule staminali per chi non lo sapesse, altro non sono che cellule primitive, non specializzate, dotate della capacità di trasformarsi in diversi altri tipi di cellule del corpo attraverso un processo denominato differenziamento cellulare. Da un pò di tempo a questa parte, le cellule staminali sono oggetto di studio da parte dei ricercatori per curare determinate patologie; queste possono essere prelevate da diversi fonti come il cordone ombelicale, il sacco amniotico, il sangue, il midollo osseo, la placenta ed i tessuti adiposi.

I ricercatori del Boston Children’s Hospital hanno utilizzato come materia prima le cellule staminali umane pluripotenti, capaci ovvero di generare tutti i tipi di cellule presenti nell’organismo adulto; i risultati di questo interessante studio sono stati pubblicati sulla rivista Nature, dove tra l’altro è stata pubblicata anche la ricetta con cui sono i ricercatori sono riusciti ad ottenere un mix di cellule staminali e progenitrici capaci di formare i diversi tipi di cellule del sangue umano. Il secondo studio, invece, è stato effettuato dagli esperti della Cornell University di New York, i quali hanno pubblicato i risultati sempre su Nature, dimostrando di aver ottenuto un risultato molto simile con un differente protocollo basato sulle cellule di topo.

 “Questo è un passo avanti fondamentale che ci porta più vicini non solo a una cura per le malattie del sangue, ma anche a decifrare la complessa biologia delle cellule staminali e i loro processi di auto-rinnovamento”, ha sottolineato il professor Shahin Rafii, direttore dell’Ansary Stem Cell Institute e autore principale dello studio condotto dall’ateneo di New York.  I team di studiosi, sostanzialmente hanno raggiunto lo stesso risultato con due percorsi differenti, ma ugualmente efficaci, e nello specifico la squadra del Dottor Shanin Rafii ha ottenuto le Cse dalle cellule endoteliali vascolari, quelle che rivestono i vasi sanguigni; i ricercatori dopo aver prelevato queste cellule da alcuni topi, le hanno ingegnerizzate per riportarle ad uno stadio primordiale e dopo averle esposte ad uno specifico mix di proteine e tenute in incubazione per 40 giorni, le hanno reimpiantate negli animali.

Ebbene, una volta reintrodotte le cellule hanno praticamente continuato a rigenerarsi ed a originare vari tipi di cellule del sangue, senza provocare alcuna reazione immunitaria.I ricercatori della Harvard Medical School, invece, in collaborazione con i colleghi del Dana Farber Cancer Institute, sono partiti dalle cellule staminali umane pluripotenti, ovvero quelle che hanno la capacità di generare tutti i tipi di cellule del nostro organismo.

FABBRICARE IL SANGUE: I SOSTITUTI ARTIFICIALI DEL SANGUE

Il termine sostituto del sangue è piuttosto ingannevole. Il sangue è formato da molti componenti e svolge ruoli tanto vari (dalla difesa contro le infezioni al trasporto dell’ossigeno) che nessun singolo sostituto artificiale finora preparato può compiere tutte queste funzioni. Tuttavia sono disponibili sostituti liquidi che sono in grado di trasportare l’ossigeno dai polmoni a tutto l’organismo e possono «espandere» un apporto limitato di sangue evitando al tempo stesso le reazioni da trasfusione. Un importante vantaggio di questi sostituti del sangue è che non trasmettono agenti patogeni presenti nel sangue.

L’emoglobina modificata

Facciamo finta per un momento di essere ingegneri biomedici. Se voleste una sostanza che trasporti ossigeno nel sangue, quale usereste? Come molti ricercatori, probabilmente comin- cereste con l’emoglobina, il trasportatore di ossigeno proprio del sangue. Potreste ottenere l’emoglobina da eritrociti umani troppo vecchi per essere trasfusi o da sangue bovino prontamente disponibile. Sfortunatamente, l’emoglobina isolata non è utilizzabile: nel plasma si divide spontaneamente a metà e viene rapidamente filtrata dai reni (cosa che può portare a un blocco renale). La filtrazione da parte dei reni si riduce se si legano insieme chimicamente le subunità di emoglobina in modo che non possano separarsi, o se si uniscono le molecole di emoglobina a formare lunghe catene. Alcuni tipi di queste catene di emoglobina possono permanere nel sangue fino a 24 ore.

Nel caso dell’emoglobina umana libera un altro problema è il fatto che lega l’ossigeno molto più saldamente (cioè, ha maggiore affinità per l’ossigeno) dell’emoglobina contenuta all’interno degli eritrociti, cedendolo con difficoltà ai tessuti che ne necessitano. L’emoglobina bovina, invece, lega l’ossigeno meno saldamente; ma anche questa soluzione presenta i suoi problemi: la possibile trasmissione del morbo della «mucca pazza» e il rischio di reazioni immunitarie. Nondimeno l’uso di un prodotto a base di emoglobina bovina è autorizzato nella Repubblica Sudafricana, dove la grande diffusione dell’HIV ha reso estremamente difficile la raccolta di sangue non infetto. È anche possibile modificare l’emoglobina con sostanze che riducono l’affinità per l’ossigeno; tale affinità può essere diminuita anche modificando con l’ingegneria genetica il sito dell’emoglobina che lega l’ossigeno. Ciascuna di queste emoglobine modificate è stata sottoposta a sperimentazioni cliniche con vario successo.

Un problema comune di tali sperimentazioni è che l’emoglobina libera provoca, quando il composto di emoglobina viene infuso nel paziente, una vasocostrizione generalizzata e un aumento della pressione sanguigna.

Per cercare di evitare tali conseguenze, i ricercatori stanno rendendo l’emoglobina fisicamente più grande legandola su lunghe catene di polietilene glicole (PEG). Immaginatela come emoglobina che è portata dalla corrente lungo un fiume in un grande tubo interno che rimbalza contro le rive. Tale molecola è attualmente sottoposta a sperimentazioni cliniche e non sembra avere effetti ipertensivi.

E ora qualcosa di completamente diverso…

Alcuni ingegneri hanno chiesto: «Se l’emoglobina ha tutti questi problemi, perché usarla? Se si vuole un prodotto che abbia una lunga durata di vita, sia esente da contaminazione biologica e disponibile in quantità industriale, perché non rivolgersi alla chimica industriale?» Consideriamo le catene di idrocarburi fluorurati (PFC, perfluo- rocarburi).

Questi composti, chimicamente simili al Teflon utilizzato nelle pentole antiaderenti, possono contenere grandi quantità di ossigeno disciolto, molto più del plasma. Negli anni 1960 i ricercatori si stupirono di scoprire che potevano immergere completamente dei topi in PFC liquidi anche per 30 minuti. (Il fatto che i topi respirassero felicemente PFC liquidi anziché aria ha spinto i ricercatori a tentare la ventilazione con PFC nell’uomo. Sono ovviamente candidati i neonati prematuri che respirerebbero abitualmente liquido amniotico, ma è attualmente in corso la sperimentazione clinica della ventilazione liquida anche in adulti con gravi disfunzioni polmonari.)

Come sangue artificiale i PFC hanno un difetto grave: non sono solubili nel plasma. La combinazione di detergenti e fosfolipidi con i PFC produce un’emulsione di minute goccioline che possono essere sospese nel plasma che ha base acquosa. Per caricare nei PFC quantità sufficienti di ossigeno, i pazienti devono respirare con la mascherina ossigeno al 70—100%. L’ossigeno trasportato dai PFC viene utilizzato più facilmente dai tessuti perché le particelle scivolose sono molto più piccole degli eritrociti e scorrono più velocemente nei capillari. I PFC sono tolti dal circolo e accumulati nella milza e nel fegato finché non sono espirati come vapore dai polmoni per diversi giorni. Gli effetti collaterali comprendono ipertensione e sintomi simil-influenzali. Negli Stati Uniti attualmente è autorizzato un solo PFC per l’impiego durante il cateterismo cardiaco.

Poiché ciascuno di questi sostituti del sangue presenta vantaggi e svantaggi, è improbabile che si possa disporre presto di un sostituto universale del sangue. Sarà piuttosto questione di scegliere il sostituto più adatto alle necessità cliniche del paziente. Sebbene la Food and Drug Administration abbia promosso per oltre trent’anni la preparazione di sangue artificiale, negli Stati Uniti nessun prodotto, compresi quelli sopra descritti, è stato autorizzato nell’uomo se non per uso sperimentale. Il sangue rimane ancora un prodotto dal valore incalcolabile, e la sua meravigliosa complessità non è ancora stata rimpiazzata dalla moderna tecnologia medica.

Passi avanti Esperimento in Francia I globuli rossi sono stati ottenuti dal midollo osseo del paziente. Risolverebbe il problema delle donazioni

È il primo tentativo di trasfusione di sangue artificiale, ed è un esperimento che dà grande speranza. Il sangue, creato in laboratorio e ottenuto da cellule staminali del midollo osseo dello stesso paziente, è stato trasfuso a un volontario. Ed è la prima volta che ciò accade, un passo che potrebbe essere fondamentale per tutte quelle situazioni in cui ci sono pazienti che necessitano di una trasfusione urgente (quella che può segnare la differenza fra la vita e la morte): perché una riserva potenzialmente infinita di sangue artificiale risolverebbe il problema delle donazioni e delle carenze contingenti di sangue. Ora, dopo questo esperimento, sembra che la scienza sia più vicina all’obiettivo.

La trasfusione è stata eseguita con successo da un team di ricercatori dell’Università Pierre e Marie Curie di Parigi, diretto da Lue Douay ( bilia pubblicato i risultati sulla rivista Blood. Secondo la rivista britannica iVeiiiScienris/il sangue artificiale-perla precisione i globuli rossi – è stato creato a partire da staminali del midollo osseo di un volontario, moltiplicate in provetta e trasformate in globuli. Questi sono stati poi trasfusi al volontario stesso.
I tentativi di creare il sangue artificiale (sintetico al 100%, cioè fatto di particelle non cellulari, o creato in laboratorio a partire da staminali) sono ormai molti. Gli scienziati dell’Università di Santa Barbara hanno creato  cellule che «imitano» i globuli rossi, producendo un sostituto sintetico del sangue umano capace di trasportare ossigeno, farmaci e coloranti per analisi radiografiche.

Nel maggio scorso una giovane australiana è stata salvata grazie alla trasfusione di Hboc-201, una sostanza che trasporta l’ossigeno nel sangue in modo simile all’emoglobina ed è basata su una molecola derivata dal sangue bovino. E alla Advanced CellTechnologydiWorcester, Massachusetts, sono stati creati globuli rossi a partire da cellule adulte di pelle di volontari prima trasformate in staminali e poi in globuli rossi.
Avere a disposizione sangue artificiale non significa solo ovviare alla cronica penuria di donatori, ma anche avere sangue di gmppo universale (0 negativo) che vada bene per tutti, privo di rischi e facile da conservare, anche nei paesi con carenti strutture sanitarie. L’ultimo passo avanti è quello compiuto dagli scienziati francesi: prima hanno estrattole staminali dal midollo osseo del paziente, poi le hanno espanse in provetta e trasformate in globuli rossi. I globuli sono stati «taggati» per essere riconoscibili: così i ricercatori hanno visto che i globuli artificiali funzionano come quelli veri, hanno una vita media identica e trasportano bene l’ossigeno. Resta però il problema dell’incapacità di produrre sufficienti quantità di sangue artificiale tali da poter essere usate in clinica.

Sangue Il sangue costituisce ¼ del liquido extracellulare, l’ambiente interno che bagna le cellule. Un soggetto di circa 70 Kg possiede circa 5 litri di sangue, di questo volume, circa due litri sono costituiti da elementi corpuscolari mentre i restanti tre litri sono composti dal plasma. Queste due componenti permettono il funzionamento del nostro organismo in quanto la parte “corpuscolata” trasporta l’ossigeno e, in minor misura l’anidride carbonica mentre la parte “liquida” permette l’osmoregolazione, trasporta i nutrienti e tutte le sostanze come ormoni, acqua, vitamine, enzimi, proteine e tanto altro necessari al funzionamento di tutte le cellule del nostro corpo.

Plasma Il plasma è la parte liquida del sangue in cui sono sospesi gli elementi corpuscolati. L’acqua è la componente principale e corrisponde a circa il 92% del suo peso. Le proteine rappresentano un altro 7%; il restante 1% è costituito da altre molecole organiche disciolte (amminoacidi, glucosio, lipidi, prodotti di scarto ), ioni , vitamine e oligoelementi ed infine ossigeno (O2 ) e anidride carbonica (CO2 ). La composizione del plasma è simile a quella dell’liquido interstiziale, con eccezione delle proteine plasmatiche. Le albumine sono il tipo prevalente. La presenza delle proteine nel plasma rende la pressione osmotica del sangue maggiore di quella del liquido interstiziale. Le proteine plasmatiche partecipano a molte funzioni, tra cui la coagulazione e la difesa contro agenti patogeni esterni. Inoltre fungono da trasportatori per ormoni, colesterolo, farmaci e certi tipi di ioni come ad esempio il ferro.

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