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Rassegna
Recenti Prog Med 2012; 103: 31-40
Ruolo delle cellule staminali nella patogenesi
della broncopneumopatia cronica ostruttiva
e dell’enfisema polmonare
Gaetano Caramori, Paolo Casolari, Elvira Garofano, Federico Mazzoni, Irene Marchi,
Marco Contoli, Alberto Papi
Riassunto. Ci sono solo attualmente pochi studi traslazionali umani condotti nel campo di ricerca delle cellule staminali su pazienti con broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) e/o enfisema polmonare. Prima di intraprendere in questo campo studi clinici con le cellule staminali, crediamo che sia necessario un maggior numero di studi traslazionali umani, altrimenti il razionale clinico si baserebbe
solamente su pochi studi animali ed in vitro. In futuro, la terapia con cellule staminali potrebbe costituire un trattamento per queste malattie. Tuttavia, essa è ancora da considerare soltanto come un’area di attiva ricerca, mancando
finora un solido razionale scientifico per condurre studi clinici con somministrazione di cellule staminali nella BPCO.
Poiché le cellule staminali rappresentano probabilmente
una popolazione eterogenea di cellule, è necessario, inoltre, caratterizzare adeguatamente i loro differenti sottotipi
e la loro importanza nella patogenesi dei differenti fenotipi
clinici di BPCO e di enfisema polmonare prima di procedere alla somministrazione in pazienti. Inoltre, i potenziali effetti collaterali della terapia con cellule staminali sono spesso sottovalutati. Non dobbiamo infatti dimenticare che molte delle neoplasie più letali prendono origine proprio da cellule staminali.
Role of stem cells in the pathogenesis of the chronic obstructive
pulmonary disease and the pulmonary emphysema.
Parole chiave. Broncopneumopatia cronica ostruttiva, cellule staminali, enfisema polmonare.
Key words. Chronic obstructive pulmonary disease, pulmonary emphysema, stem cells.
Introduzione
stribuzione per età della popolazione mondiale1,3.
Nei prossimi due anni, l’Organizzazione Mondiale
della Sanità prevede che la mortalità totale per
BPCO sarà più che raddoppiata4. Attualmente
(2011) è la quinta causa di morte più comune al
mondo. Lo Studio per l’Incidenza Globale della Malattia predice che dovrebbe divenire la terza causa
di morte più frequente al mondo entro il 20205.
La principale causa della BPCO è rappresentata dall’inalazione cronica di fumo di sigaretta (figura 1 alla pagina seguente)1,6. Tuttavia, altri fattori, tra i quali la combustione di composti organici usati per cucinare e per riscaldare le case, sono
un’importante causa di BPCO in molti Paesi in via
di sviluppo7.
Le fumatrici appaiono più suscettibili dei fumatori a sviluppare la BPCO8. Malattie polmonari correlate al fumo come la BPCO e il carcinoma
polmonare stanno assumendo carattere epidemico
nelle donne in tutto il mondo9.
La broncopneumopatia cronica ostruttiva
(BPCO) è definita, secondo il Progetto Mondiale
BPCO, come una «malattia prevenibile e trattabile con alcuni significativi effetti extrapolmonari
che possono contribuire alla severità nei singoli pazienti. La sua componente polmonare è caratterizzata da una ostruzione del flusso aereo non completamente reversibile. La ostruzione del flusso aereo in genere è progressiva ed associata a un’abnorme risposta infiammatoria del polmone alle
particelle nocive o ai gas»1.
La BPCO è un’importante causa di morbilità e
mortalità in tutto il mondo, interessando circa 210
milioni di persone e provocando più di tre milioni
di morti all’anno2. Si ritiene che la prevalenza e
l’incidenza della BPCO aumenteranno nei prossimi decenni a causa sia della continua esposizione
ai fattori di rischio sia del cambiamento della di-
Summary. There are only few human translational studies
performed in the area of stem cell research in patients with
chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and/or pulmonary emphysema. Before progress to clinical trials with
stem cells we believe that more human translational studies are necessaries, otherwise the clinical rationale would
be solely based on limited in vitro and animal studies. In
the future, stem cell therapy could be a treatment for this
disease. Currently, stem cell therapy is still to be considered
as an area of active research, lacking a strong rationale for
performing clinical trials in COPD. Although stem cells
would be likely to represent a heterogeneous population
of cells, the different cell subsets and their importance in
the pathogenesis of the different clinical phenotypes need
to be fully characterised before progressing to clinical trials. Moreover, the potential side effects of the stem cell
therapy are often underestimated. We should not ignore
that some of the most deadly neoplasms are arising from
stem cells.
Dipartimento di Medicina Clinica Sperimentale, Sezione di Malattie dell’Apparato Respiratorio, Centro per lo Studio delle Malattie
Infiammatorie Croniche delle Vie Aeree e Patologie Fumo-Correlate dell’Apparato Respiratorio, Università, Ferrara.
Pervenuto il 25 luglio 2011.
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Recenti Progressi in Medicina, 103 (1), gennaio 2012
Questo conduce alla caratteristica iperinflazione
dei polmoni, che causa la
sensazione di dispnea e la
ridotta tolleranza all’esercizio fisico, in genere a partire dagli stadi moderati-severi della BPCO12,14-17.
Inalazione cronica
di fumo di sigaretta
Infiammazione
cronica
delle piccole
vie aeree
La BPCO è riconosciuta
come
un’infiammazione
cronica delle vie aeree inferiori caratterizzata da un
PROTEASI
accumulo di macrofagi, celOSSIDANTI
lule T CD4+ e CD8+, cellule
LIPIDI PROINFIAMMATORI
NEUROPEPTIDI PROINFIAMMATORI
dendritiche,
cellule B e graCITOCHINE PROINFIAMMATORIE
nulociti neutrofili; la sua
ENDOTELINE
severità è associata al grado di infiltrazione delle piccole vie aeree da parte di
queste cellule infiammatoFigura 1. L’inalazione cronica di fumo di sigaretta causa, in soggetti suscettibili geneticamente, una
rie1,16,18,19.
infiammazione cronica, particolarmente a carico delle piccole vie aeree con successiva ostruzione
Sia il rimodellamento
del flusso aereo al loro interno con diversi meccanismi. Questa infiammazione è causata da uno
squilibrio della bilancia dei mediatori pro-infiammatori/anti-infiammatori.
che la stenosi delle piccole
vie aeree e l’enfisema polmonare sono probabilmente
il risultato dell’infiammazione cronica nel polmone periferico (figura 1)12,14-17.
Solo una frazione dei forti fumatori (uno o più
pacchetti di sigarette al giorno) sviluppa la BPCO.
Il tipo di cellula infiammatoria predominante è
Inoltre, la BPCO ha una storia naturale variabile
diverso nei differenti gradi di severità nella BPCO
e non tutti gli individui hanno lo stesso decorso
in fase stabile, con un aumento del numero dei graclinico: alcuni sviluppano la malattia più rapidanulociti neutrofili e dei linfociti B negli stadi più
mente di altri. Esistono suscettibilità individuali
evoluti (GOLD III e IV)16,18, mentre – durante le
agli effetti del fumo di sigaretta.
riacutizzazioni della BPCO – vi è anche un reclutamento di granulociti eosinofili, particolarmente
La ipotesi attuale secondo la quale solo il 15durante le gravi riacutizzazioni di BPCO indotte
20% dei fumatori sviluppa una BPCO clinicamenda infezioni respiratorie virali20.
te significativa10 è probabilmente fuorviante in
quanto la prevalenza della BPCO tra i forti fumaI linfociti T presenti nelle vie aeree inferiori dei
tori a lungo termine può raggiungere il 50%11. Con
pazienti con BPCO sono in prevalenza dell’immunofenotipo CD8+, ma anche le cellule CD4+ risulil generale invecchiamento della popolazione, se le
tano aumentate. Funzionalmente, predominano i
persone continuano a fumare, una loro percentuale
sottotipi T helper (Th)1 e T citotossico (Tc1), caratcrescente è a rischio si sviluppare una BPCO.
terizzati dalla produzione di interferone (IFN)γ21,22, tuttavia vi è un’aumentata espressione di celIl principale sito di ostruzione (limitazione) del
lule CD8+/IL-4+ (cellule Tc2) nel lavaggio broncoflusso aereo nei pazienti con BPCO è localizzato
nelle piccole vie aeree12,13.
alveolare durante la fase di stabilità clinica23 dei
La progressiva e cronica ostruzione del flusso
pazienti con BPCO.
aereo presente nella BPCO è dovuta a tre princiInoltre, nelle biopsie bronchiali dei pazienti con
pali processi patologici: ostruzione da parte di muBPCO in fase stabile vi è un aumentato numero
co del lume delle piccole vie aeree, rimodellamendi cellule produttrici di IL-17 (cosiddette cellule
to e stenosi delle piccole vie aeree (bronchiolite
Th17)24.
ostruttiva) e distruzione del parenchima polmonaNon è ancora disponibile un modello animale in
re con perdita degli attacchi alveolari ai bronchiogrado di riprodurre tutte le complesse lesioni morli respiratori come conseguenza dell’enfisema polfologiche e funzionali presenti nei polmoni dei pamonare (figura 1).
zienti con BPCO, tuttavia molte di esse sono presenti dopo inalazione per lunghi periodi di tempo
Il contributo di questi tre processi varia da padi fumo di di sigaretta in animali da esperimento.
ziente a paziente. Nel complesso il risultato è un
A questo proposito, è interessante notare che l’espodiminuito ritorno elastico polmonare, una maggiosizione dei topi al fumo di sigaretta per almeno 22
re resistenza al flusso aereo e la chiusura delle picsettimane causa lesioni simili all’enfisema polmocole vie aeree a volumi polmonari maggiori durannare che si sviluppano negli animali di sesso femte l’espirazione, con conseguente intrappolamento
minile più rapidamente che non in quelli di sesso
di aria nei polmoni.
maschile25.
PREDISPOSIZIONE
GENETICA
ANTIPROTEASI
ANTIOSSIDANTI
LIPIDI ANTIINFIAMMATORI
NEUROPEPTIDI ANTIINFIAMMATORI
CITOCHINE ANTIINFIAMMATORIE
G. Caramori et al.: Ruolo delle cellule staminali nella patogenesi della BPCO e dell’enfisema polmonare
La spirometria è essenziale per la diagnosi differenziale della BPCO. Poiché esiste un numero
elevatissimo di piccole vie aeree in ogni polmone,
nei soggetti normali le piccole vie aeree hanno
un’area trasversale totale molto superiore rispetto
a quella delle vie aeree centrali: quindi queste fisiologicamente contribuiscono soltanto per il 20%
circa alla resistenza totale al flusso aereo. Per tale motivo, prima che una riduzione del flusso aereo sia misurabile mediante una spirometria, deve
essere ostruito più dell’80% del totale delle piccole
vie aeree e quindi numerosi fumatori sviluppano
una malattia progressiva delle piccole vie aeree
molto tempo prima che la loro curva flusso-volume
riesca ad evidenziare la presenza di un’ostruzione
del flusso aereo13.
Le principali cause di morte nei pazienti con
BPCO sono rappresentate dalle malattie cardiovascolari, dal carcinoma polmonare e, negli stadi
più evoluti, dalla grave insufficienza respiratoria
cronica1,26. La comparsa di un’ipertensione polmonare secondaria nei pazienti con BPCO non è
molto frequente, ma rappresenta un ulteriore fattore prognostico negativo che aumenta il rischio di
mortalità1.
La presenza di una BPCO aumenta significativamente il rischio di sviluppare un carcinoma polmonare in aggiunta ed indipendentemente dal grado di abitudine tabagica27,28. Infatti, a parità di abitudine tabagica, anche una diminuzione relativamente modesta del volume espiratorio massimo in
un secondo (VEMS), marcatore dell’ostruzione del
flusso aereo, aumenta significativamente il rischio di sviluppare un carcinoma polmonare, in
particolare nelle donne27,28. Inoltre i fumatori che
sviluppano una BPCO hanno un aumento significativo del rischio di sviluppare uno specifico sottotipo istologico di carcinoma polmonare non a
piccole cellule: carcinoma a cellule squamose29.
Non esistono finora interventi farmacologici
che abbiano dimostrato in modo inequivocabile di
prolungare significativamente la sopravvivenza
dei pazienti con BPCO, esclusa la cessazione del
fumo di sigaretta e l’ossigenoterapia domiciliare a
lungo termine nei pazienti con grave insufficienza respiratoria cronica; né si conoscono finora terapie che ripristinino in misura significativa la
perdita di funzionalità respiratoria presente in
questi pazienti1.
Negli ultimi anni si è quindi cercato di sviluppare nuove terapie per il trattamento della
BPCO ed in particolare, in analogia a quanto avvenuto in altri organi, si è assistito ad un crescente interesse per la ricerca di terapie in grado
di rigenerare il polmone umano lesionato. Dal
momento che la BPCO è caratterizzata dalla perdita di tessuto polmonare e dal rimodellamento
delle vie aeree, in particolare di quelle più periferiche, c’è un crescente interesse all’impiego di
cellule staminali per rigenerare il tessuto alveolare, rimodellare le piccole vie aeree e quindi ripristinare la funzionalità respiratoria nei malati
di BPCO.
Analizzeremo in questa rassegna le evidenze
scientifiche sul ruolo delle cellule staminali nella patogenesi della BPCO e dell’enfisema polmonare, sia durante la loro fase stabile sia durante
le riacutizzazioni della malattia. Esamineremo
anche il potenziale ruolo delle cellule staminali
nella patogenesi di alcune delle complicazioni
della BPCO, come il carcinoma polmonare e
l’ipertensione polmonare secondaria.
Le cellule staminali nella patogenesi della BPCO
e dell’enfisema polmonare
Cellule staminali multipotenti o totipotenti sono state identificate in quasi tutti i tessuti adulti, compresi i polmoni umani30, e si pensa che esse contribuiscano al mantenimento ed alla riparazione di questi tessuti. Tuttavia sono, in genere,
cellule presenti in piccolo numero e spesso localizzate in particolari nicchie all’interno di questi
tessuti che esibiscono la capacità di autorinnovarsi e possono trasformarsi in cellule progenitrici in grado di differenziarsi in un tipo specifico.
Le cellule staminali possono replicarsi indefinitamente, mentre le cellule progenitrici possono dividersi solo per un numero limitato di volte31, generando un tessuto che può sostituire aree ammalate o danneggiate32,33.
Il polmone umano adulto è un organo complesso composto da più di quaranta diversi tipi di cellule differenziate, e sembra ormai evidente sia che
esistano diverse popolazioni di cellule staminali localizzate in differenti regioni anatomiche dei polmoni umani adulti (per un esempio di alcune delle cellule staminali epiteliali individuate nel polmone umano adulto vedi la figura 2), sia che cellule staminali possano raggiungere i polmoni arrivando dal sangue venoso periferico, contribuendo
così al turnover cellulare polmonare (figura 3). Si
può pertanto ipotizzare che i processi infiammatori distruttivi indotti dal fumo di tabacco che conducono alla BPCO possano essere associati ad una
inadeguata capacità rigenerativa dei polmoni. Di
conseguenza il processo omeodinamico che mantiene fisiologicamente la normale struttura e la
funzionalità dei polmoni potrebbe essere preservato o ripristinato stimolando la rigenerazione polmonare.
Studi recenti condotti su animali hanno infatti
dimostrato come esistano anche nei polmoni umani cellule staminali multipotenti che possono contribuire, se trapiantate in animali, alla rigenerazione del tessuto polmonare periferico30.
La domanda è se abbiamo già oggi adeguate conoscenze scientifiche per iniziare a trattare pazienti con BPCO usando cellule staminali.
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Recenti Progressi in Medicina, 103 (1), gennaio 2012
Cellule staminali basali
dell’epitelio bronchiale (CK14+)
Cellule staminali dei dotti delle
ghiandole della sottomucosa
tracheobronchiale
Cellule staminali
bronchiolo-alveolari
Cellule staminali clonali polmonari multipotenti
(CD117+)
Cellule staminali simili a cellule
dell’epitelio alveolare
Figura 2. Popolazioni di cellule staminali epiteliali residenti nel polmone. Sono rappresentate le cellule bronchiali epiteliali basali (CK14+), le
cellule delle ghiandole della sottomucosa tracheobronchiale, le cellule staminali bronchiolo-alveolari (BACS), una sottopopolazione di cellule di Clara, localizzate nelle giunzioni dei dotti broncoalveolari; infine cellule staminali simili alle cellule alveolari di tipo 2, considerate le classiche cellule staminali degli alveoli, che sono in grado di differenziarsi anche in cellule alveolari di tipo 1.
Fibrocita
CD34 +,CD45+,
CXCR4+, COL1+
Cellula
staminale
endoteliale
CD34+, CD133+,
VEGFR-2 +
Cellule staminali circolanti
nel sangue
con potenziale differenziativo
in cellule strutturali
dei pomoni
Cellula staminale
mesenchimale
CD44+, Sca-1+,
CD73+, CD90+,CD105+
Cellule staminali che
esprimono la proteina
secretoria delle cellule di
Clara (CCSP+)
CD34+, CD45+
CD73+,CD90+,CD105+
Figura 3. Cellule staminali del sangue periferico in grado di differenziarsi in cellule strutturali dei polmoni. Sono rappresentate cellule staminali fibroblastiche, cellule staminali endoteliali, cellule staminali mesenchimali e le cellule staminali che esprimono la proteina secretoria delle cellule di Clara.
G. Caramori et al.: Ruolo delle cellule staminali nella patogenesi della BPCO e dell’enfisema polmonare
Ruolo delle cellule staminali
nei modelli animali di BPCO
e di enfisema polmonare
In modelli animali di enfisema polmonare, il
trapianto di cellule di midollo osseo (cellule stromali derivate da midollo osseo) da topi di controllo a topi enfisematosi riduce le lesioni enfisematose34-38. In uno studio è stata addirittura ottenuta
la completa remissione delle lesioni enfisematose
ed i polmoni trapiantati assomigliavano a quelli
di topi normali di età comparabile, anche se nei
polmoni di questi topi chimerici vi era una scarsa
crescita di cellule derivate dal topo donatore36. Alcuni studi, ma non tutti, condotti su animali ed
anche su soggetti umani, suggeriscono che dopo il
trapianto di midollo osseo, cellule derivate dal
midollo osseo del donatore possono infatti migrare verso i polmoni dell’ospite e creare un chimerismo cellulare nell’epitelio delle vie aeree inferiori. Tuttavia, il numero di queste cellule è molto basso39-48.
Globalmente questi dati suggeriscono che cellule staminali mesenchimali stromali adulte derivate da midollo osseo e/o cellule mononucleate del
midollo osseo possono migrare verso aree danneggiate dei polmoni, rigenerando il parenchima polmonare e riparando lesioni da enfisema polmonare31,49. Tuttavia, i meccanismi che controllano questo processo sono sconosciuti e attualmente non è
disponibile alcun dato sugli effetti delle cellule derivate dal midollo osseo o di altre cellule staminali in modelli animali di BPCO.
Studi traslazionali umani
inerenti la ricerca sulle cellule staminali
nella BPCO e nell’enfisema polmonare
CELLULE STAMINALI EMOPOIETICHE PLURIPOTENTI
CIRCOLANTI NEL SANGUE NEI PAZIENTI CON BPCO
E/O ENFISEMA POLMONARE
Nel sangue dei pazienti con BPCO in fase stabile di gravità da moderata a severa è stata dimostrata la presenza di un ridotto numero di cellule
staminali circolanti CD34+ che correla con il loro
grado di ipossiemia, la severità dell’ostruzione del
flusso aereo, il picco di consumo d’ossigeno e la presenza di un basso indice di massa corporea50-52.
Tuttavia, questi studi hanno usato come gruppi di controllo soggetti non fumatori invece che, come nella situazione ideale, soggetti fumatori di età
comparabile e con normale funzionalità respiratoria50-52.
Cellule staminali endoteliali circolanti in pazienti
con BPCO e/o enfisema polmonare
PAZIENTI CON BPCO E/O ENFISEMA POLMONARE IN FASE STABILE
Dalle cellule mononucleate del sangue venoso
periferico di soggetti normali possono essere isolate cellule progenitrici endoteliali (EPCs), che deri-
vano dal midollo osseo e che sono in grado di trasformarsi in coltura in vitro in cellule endoteliali
mature anche funzionalmente53-55.
Sembra che le EPCs circolanti costituiscano
una riserva di cellule in grado di rimpiazzare
l’endotelio danneggiato – o non più funzionante –
nei vasi sanguigni maturi55,56, e nei pazienti con
cardiopatia ischemica cronica in fase stabile la
presenza nel loro sangue di ridotti livelli di EPCs
circolanti si associa ad un aumentato rischio di
morte57.
Alcuni studi precedenti hanno ipotizzato una
correlazione tra la patogenesi dell’enfisema polmonare umano e l’aumento dell’apoptosi delle cellule endoteliali nei capillari polmonari dei setti alveolari58,59. Inoltre, nel polmone dei pazienti con
BPCO è stato recentemente dimostrato dal nostro
gruppo di ricerca un danno su base auto-immunitaria delle cellule endoteliali dei vasi sanguigni
polmonari60, fornendo ulteriori evidenze che la perdita di cellule endoteliali possa rappresentare un
elemento fondamentale nella comparsa dell’enfisema polmonare e della BPCO.
In modelli animali, le EPCs, caratterizzate dalla concomitante espressione di CD34+, CD133
(AC133) e del recettore 2 per il fattore di crescita
dell’endotelio vascolare (VEGFR-2/KDR), possono
contribuire alla riparazione del danno polmonare48.
Pertanto, si può ipotizzare che una riduzione delle
EPCs nel sangue possa contribuire alla patogenesi dell’enfisema polmonare e/o della BPCO nell’uomo e, al contrario, un aumento di EPCs del sangue
possa prevenire la comparsa di enfisema polmonare e/o della BPCO.
Alcuni studi50,52, ma non tutti61, hanno dimostrato una diminuzione significativa del numero di EPCs
circolanti nei pazienti con BPCO in fase stabile.
Per questo motivo abbiamo misurato, mediante citometria di flusso, il numero delle cellule staminali endoteliali (triple positive per
CD34+/CD133/VEGFR-2) e delle cellule staminali totali (CD34+) nel sangue venoso periferico
di fumatori appaiati per età con o senza enfisema polmonare e con o senza BPCO, tutti in fase
clinicamente stabile62. La presenza e la severità
dell’enfisema polmonare sono state misurate
usando la tomografia computerizzata del torace
ad alta risoluzione (HRCT) con maschera di densità ed il punteggio (da 0 a 4) usato dal gruppo di
ricerca del National Emphysema Treatment Trial
(NETT)63.
Non è stata trovata – però – alcuna correlazione
significativa tra il numero di cellule staminali emopoietiche totali CD34+ e di EPCs e lo score HRCT
di enfisema polmonare o la presenza o assenza di
BPCO. Al contrario, non ci ha sorpresi, visto che si
tratta di una loro sottopopolazione, abbiamo invece trovato una correlazione significativa tra il numero assoluto di cellule CD34+ circolanti ed il numero assoluto di EPCs. Vi era inoltre una correlazione significativa tra la percentuale di EPCs e il
grado di abitudine tabagica, misurato come numero di pack-years.
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Recenti Progressi in Medicina, 103 (1), gennaio 2012
Questi dati indicano che il numero di cellule
staminali endoteliali circolanti non è correlato con
la presenza e/o la severità dell’enfisema o la presenza o assenza di BPCO in fase stabile62.
Le cellule staminali epiteliali polmonari
come bersaglio del processo carcinogenetico
nel carcinoma polmonare umano
a cellule squamose nei pazienti con BPCO
Usando l’immunoistochimica, un altro studio
ha evidenziato un aumento del numero di cellule
CD133+ nelle arterie polmonari di pazienti con
BPCO da lieve a moderata, confrontati con un piccolo numero di soggetti di controllo fumatori con
normale funzionalità respiratoria64. Le cellule
CD133+ sono localizzate sulla superficie dell’endotelio e nella parete del vaso sanguigno e il loro numero nell’intima mostra una diretta correlazione
con lo spessore della parete delle arterie polmonari64, indicando il loro ruolo potenziale nella patogenesi del rimodellamento delle arterie polmonari
e dell’ipertensione polmonare secondaria, sebbene
siano necessarie ulteriori ricerche in questo settore prima di arrivare a conclusioni certe.
In modelli murini di carcinogenesi, il carcinoma polmonare a cellule squamose origina dalle cellule staminali, tuttavia esse rimangono ancora sconosciute27,28,67.
Nei modelli murini, una popolazione di cellule
staminali polmonari si trova al livello dei dotti di
giunzione bronchiolo-alveolare. Queste cellule,
chiamate cellule staminali bronchioloalveolari
(BASCs; figura 2), resistono a danni a carico di
bronchioli e alveoli, proliferano durante il rinnovamento delle cellule epiteliali in vivo e la loro
controparte trasformata dà origine all’adenocarcinoma68-70. In vivo, le BASCs possono essere definite funzionalmente sulla base della loro resistenza ad aggressioni chimiche (naftalene), del loro basso grado di proliferazione rispetto ad altri
tipi di cellule progenitrici e della loro co-espressione di marcatori delle cellule bronchiolari e delle cellule secretorie alveolari, rispettivamente la
proteina secretoria delle cellule di Clara e la proteina C del surfattante. Il loro immunofenotipo è
CD45(neg), CD31(neg), CD34(neg), Sca-l(basso),
autofluorescenza(basso)71. È interessante che la
proteina chinasi Ciota (PKCiota) sia un oncogene
necessario per il mantenimento del fenotipo trasformato delle cellule NSCLC72. Nel topo la perdita genetica di Prkci inibisce drammaticamente
l’iperplasia originata da Kras e la conseguente formazione in vivo del tumore polmonare. Questo effetto è in relazione con l’incapacità delle cellule
staminali bronchiolo-alveolari prive di Prkci di subire l’espansione mediata da Kras e la trasformazione morfologica in vitro e in vivo72. Ciò suggerisce che il carcinoma del polmone a cellule squamose e l’adenocarcinoma polmonare possano originare dalle stesse cellule staminali27,28. Questa è
un’area che richiede maggiore ricerca traslazionale umana.
PAZIENTI CON RIACUTIZZAZIONI DI BPCO
È interessante notare che in molti pazienti durante una grave riscutizzazione di BPCO, che ha
richiesto ricovero ospedaliero, il numero di EPCs
nel sangue è aumentato rispetto a quello osservato nella loro fase di stabilità clinica61.
Questo dato potrebbe essere spiegato semplicemente dalla leucocitosi osservata nel sangue durante le riacutizzazioni di BPCO, in quanto il numero di EPCs in fase stabile correla significativamente con il numero totale di leucociti nel sangue62. Il significato funzionale di questa osservazione è sconosciuto. La morbilità e la mortalità cardiovascolare sono accresciute nei pazienti con riacutizzazioni di BPCO65, ma rimane da dimostrare
se i pazienti con BPCO in cui non aumentano i livelli di EPCs nel sangue durante le riacutizzazioni di BPCO abbiano un rischio più alto di morbilità e mortalità cardiovascolare.
Fibrociti circolanti nella patogenesi della BPCO
e/o dell’enfisema polmonare
In anni recenti è stato dimostrato sia in modelli animali, sia in pazienti con fibrosi polmonare, che
nel sangue venoso periferico di soggetti normali esistono i fibrociti.
Questi fibrociti sono cellule staminali che hanno origine nel midollo osseo ma che possono anche
differenziarsi nell’ambito di numerosi tessuti (compresi i polmoni) in fibrociti maturi capaci di secernere collagene di tipo I, il principale componente
della matrice extracellulare66.
Al momento, non esistono studi sul numero di
questi fibrociti nel sangue periferico dei pazienti
con BPCO. Per questa ragione stiamo attualmente indagando la correlazione tra le quantità di fibrociti nel sangue periferico in un gruppo di pazienti con BPCO stabile confrontati con un gruppo
di controllo di soggetti fumatori, comparabili per
età e sesso, con normale funzionalità respiratoria.
Terapia con cellule staminali
in pazienti con BPCO e/o enfisema polmonare
L’infusione di cellule staminali multipotenti è
un tipo di trattamento che ha lo scopo di guidare
nuove cellule staminali verso i tessuti danneggiati, per trattare una malattia o una ferita.
Sono già disponibili molte potenziali terapie attraverso l’infusione di cellule staminali ma, a parte il trapianto di cellule staminali di midollo osseo,
sono ancora ad uno stadio sperimentale.
In particolare, prima che la terapia con cellule staminali possa essere applicata in un contesto
clinico, sono necessarie ricerche per capire il comportamento delle cellule staminali nell’ospite trapiantato ed i meccanismi di interazione delle cellule staminali con il microambiente della malattia73.
G. Caramori et al.: Ruolo delle cellule staminali nella patogenesi della BPCO e dell’enfisema polmonare
La scoperta che anche cellule staminali embrionali33 e cellule staminali multipotenti presenti in tessuti umani adulti30 possono essere usate
per la riparazione e la rigenerazione di polmoni
animali lesionati ha stimolato nuove ricerche per
investigare il loro eventuale uso nel trattamento
di patologie polmonari umane. Queste sono aree
di ricerca in rapido sviluppo che promettono di fornirci nel futuro una migliore comprensione della
normale biologia polmonare ed un nuovo potenziale approccio terapeutico per molte malattie polmonari74.
Tuttavia, l’uso di cellule staminali per il trattamento di pazienti con BPCO e/o enfisema polmonare rimane allo stato attuale ancora controverso.
Risultati degli studi clinici controllati
sul trapianto di cellule staminali
in pazienti con BPCO e/o enfisema polmonare
Durante uno studio clinico controllato di fase I
condotto somministrando PROCHYMALTM (cellule staminali mesenchimali umane adulte coltivate ex vivo prodotte dalla Osiris Therapeutics;
www.osiristx.com) a pazienti con infarto miocardico acuto, è stato osservato un miglioramento del
volume espiratorio massimo in un secondo (VEMS)
e della capacità vitale forzata (CVF) attraverso un
meccanismo ancora sconosciuto75.
Questi dati hanno stimolato l’inizio di uno studio placebo controllato multicentrico, in doppio cieco, di fase II di PROCHYMALTM in pazienti con
BPCO da moderata a severa (VEMS/CVF, <0,70,
30%≤VEMS ≤70%), iniziato nel Maggio 2008. Lo
scopo primario dello studio è stato determinare la
sicurezza dell’infusione di cellule staminali mesenchimali in pazienti con BPCO.
Lo studio ha reclutato 62 pazienti in 6 Centri
Statunitensi. Durante l’intervallo di 6 mesi fino
al momento dell’analisi dei dati, non è stata riportata alcuna tossicità o evento avverso dopo
l’infusione.
Nei pazienti trattati, è stata dimostrata una diminuzione significativa della proteina C reattiva,
marcatore infiammatorio circolante, che spesso è
aumentata nei pazienti con BPCO, e una tendenza
al miglioramento degli indici di qualità di vita ma
senza nessun miglioramento significativo nella
funzionalità respiratoria (www.osiristx.com). Lo
studio è terminato nel terzo quadrimestre del
2010, e la pubblicazione per esteso di questi risultati è attesa a breve.
Il fattore stimolante le colonie granulocitarie
(G-CSF), un fattore di crescita emopoietico, stimola la proliferazione e la mobilizzazione delle cellule emopoietiche del midollo osseo verso il sangue
periferico, compreso un aumento delle cellule staminali progenitrici mieloidi e CD34+ che probabilmente sono coinvolte nella rigenerazione dei tessuti polmonari danneggiati51,76-79.
In uno studio clinico non controllato di fase I,
condotto in Brasile, è stato somministrato G-CSF
immediatamente prima della raccolta del midollo
osseo e successivamente le cellule mononucleate
del midollo osseo sono state isolate e iniettate endovena in pazienti con BPCO molto severa (GOLD
stadio IV con dispnea)80. Il follow-up di 12 mesi ha
dimostrato l’assenza di effetti collaterali significativi, ma anche l’assenza di proliferazione di cellule CD34+ e CD133+80.
Nuovi approcci alla medicina rigenerativa
per la BPCO e l’enfisema polmonare
Il laser genera una tipica radiazione elettromagnetica relativamente uniforme in lunghezza d’onda, fase e polarizzazione, e le classiche applicazioni mediche del laser sono considerate “ad alta energia” per via della loro intensità, che parte da circa
10-100 Watts. I dispositivi laser a basso livello
(LLLs) raggiungono il loro effetto attraverso meccanismi non termici e possono attivare in modelli
animali le cellule staminali polmonari endogene e
la neoangiogenesi, che è ottimale per la crescita
delle cellule staminali.
I dispositivi laser LLLs sono quindi attualmente oggetto di studi clinici controllati nell’infarto
miocardico acuto e negli accidenti cerebrovascolari
ma sono stati proposti anche come un nuovo trattamento rigenerativo “fotoceutico” per la BPCO81.
Terapia con cellule staminali della BPCO
e/o dell’enfisema polmonare: aspetti etici
Il trattamento della BPCO e/o dell’enfisema
polmonare con cellule staminali è associato a rischi
potenziali che sono stati chiaramente identificati,
in primo luogo nel trapianto di midollo osseo allogenico. Sono stati infatti osservati malattia del trapianto contro l’ospite, sviluppo di neoplasie, migrazione inappropriata di cellule staminali verso
altre aree del corpo non bersaglio della terapia e
rigetto da parte del sistema immunitario.
La terapia della BPCO e/o dell’enfisema polmonare con cellule staminali è agli albori, ma rappresenta già una grande speranza per i numerosi
pazienti che hanno sperimentato senza successo
altre terapie.
Alcune istituzioni mediche stanno attualmente arruolando pazienti con BPCO in studi controllati sulla terapia sperimentale con cellule staminali. Esempi sono la compagnia indiana Stempeutics Research limited (www.stempeutics.com),
la compagnia tedesca XCell-Center (www.xcellcenter.com) e la compagnia americana Osiris Therapeutics (www.osiristx.com).
Tuttavia, all’opinione pubblica generale non è
ancora chiaro che la terapia sperimentale con cellule staminali richiede un’estesa preparazione e
approfondite ricerche di laboratorio perché queste
cellule abbiano o sviluppino determinate caratteristiche potenzialmente utili per il malato da trapiantare.
37
38
Recenti Progressi in Medicina, 103 (1), gennaio 2012
Inoltre va sottolineato come siano essenziali numerosi studi basati sull’evidenza per ottenere una
maggiore comprensione delle condizioni di crescita
ottimali delle cellule staminali, in particolare perché alcune delle neoplasie più letali derivano da
cellule staminali82.
Non è sorprendente che pazienti con BPCO venendo a conoscenza di questa terapia attraverso
Internet o altri media, decidano di sottoporvisi
quando hanno esaurito altre forme di trattamento
e hanno una prognosi infausta, per esempio in caso di BPCO molto severa. Sono necessarie quindi
urgenti azioni governative in questo settore per
impedire a questi malati di intraprendere tali terapie finché non siano state prima condotte adeguate ricerche cliniche controllate.
Conclusioni
Attualmente nel campo di ricerca delle cellule
staminali vi sono solo pochi studi traslazionali umani condotti su pazienti con BPCO e/o enfisema polmonare. Prima di intraprendere studi clinici con le
cellule staminali in queste patologie, crediamo fortemente che sia essenziale un maggior numero di
studi traslazionali umani, altrimenti il razionale clinico si baserebbe solamente su pochi studi animali e
in vitro. In futuro, la terapia con cellule staminali
potrebbe tuttavia costituire un trattamento per questa malattia. Tuttavia, attualmente la terapia con
cellule staminali è ancora da considerare solo come
un’area di attiva ricerca, mancando finora ogni solido razionale scientifico per condurre studi clinici con
somministrazione di cellule staminali nella BPCO.
Poiché le cellule staminali rappresentano probabilmente una popolazione eterogenea di cellule, è necessario inoltre caratterizzare adeguatamente i differenti sottotipi di queste cellule e la loro importanza nella patogenesi dei differenti fenotipi clinici di
BPCO e enfisema polmonare prima di procedere alla loro somministrazione in pazienti. Inoltre, i potenziali effetti collaterali della terapia con cellule
staminali sono spesso sottovalutati. Non dobbiamo
infatti dimenticare che molte delle neoplasie più letali prendono origine proprio da cellule staminali.
Studio finanziato da: Fondo di Ateneo per la Ricerca (FAR
2009, 2010) (ex 60%) Università di Ferrara (GC), Associazione
per la Ricerca e la Cura dell’Asma (ARCA, Padova).
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Indirizzo per la corrispondenza:
Dott. Gaetano Caramori
Università
Centro per lo Studio delle Malattie Infiammatorie Croniche
delle Vie Aeree e Patologie Fumo-Correlate dell’Apparato Respiratorio
(CEMICEF; ex Centro di Ricerca su Asma e BPCO)
Via Savonarola, 9
44121 Ferrara
E-mail [email protected]