La sfida del sangue artificiale

Passo in avanti da uno studio italiano

La sfida non è semplice: produrre su larga scala in laboratorio il sangue artificiale. O meglio, le cellule staminali del sangue (ematopoietiche), il cui trapianto oggi è usato per il trattamento standard per molti tumori e malattie genetiche rare perché promuovere la formazione di nuovi tessuti sani in caso di malattia.
Un passo avanti in tal senso è stato fatto dal gruppo di Andrea Ditadi dell'Istituto San Raffaele - Telethon di Milano (SR-Tiget), che ha identificato il ruolo dell'acido retinoico o vitamina A nella loro differenziazione. I risultati del lavoro - realizzato in collaborazione con il Black Family Stem Cell Institute del Mount Sinai Hospital di New York - sono stati pubblicati su Nature Cell Biology.
Riprodurre le cellule ematopoietiche in vitro farebbe fare un balzo in avanti alla medicina rigenerativa. Permetterebbe infatti, sia di produrre su larga scala cellule da utilizzare in campo terapeutico senza rischio di rigetto, sia di studiare con più precisione lo sviluppo del sistema immunitario e la causa di malattie genetiche del sangue. La sfida oggi è capire quali sono i segnali molecolari che, fin dallo stadio embrionale, guidano lo sviluppo delle cellule staminali ematopoietiche, per cercare di caratterizzare i passaggi che portano alla formazione di quelle specializzate nella produzione dei vari elementi del sangue e ricrearli in laboratorio.
Per raggiungere questo obiettivo, il gruppo di ricerca del SR-Tiget ha preso delle cellule staminali a uno stadio molto precoce di sviluppo (embrionali o pluripotenti indotte, cioè ottenute riprogrammando cellule adulte) e ha identificato appunto, il ruolo dell'acido retinoico o vitamina A nella loro differenziazione.
“L'emopoiesi non è un processo lineare e strettamente gerarchico: non tutte le cellule del sangue si sviluppano allo stesso modo e nello stesso momento” spiega Ditadi, Capogruppo dell'Unità Sviluppo ematopoietico umano e modellizzazione delle malattie del SR-Tiget di Milano. “In questo studio - continua - abbiamo descritto il ruolo dell'acido retinoico o vitamina A, che abbiamo utilizzato per dare precisi segnali molecolari alle cellule staminali pluripotenti indotte. Infatti, la vitamina A è essenziale nell'embrione per formare le cellule staminali ematopoietiche ma non altre cellule del sangue”.
Ditadi aggiunge anche che non tutte le cellule sono in grado di “rispondere” alla presenza della vitamina A, ma solo quelle che sono pronte. Aggiungendo tale elemento al momento giusto si ottiene la differenziazione delle cellule staminali pluripotenti in cellule che sono molto simili ai progenitori che nell'embrione generano le cellule staminali ematopoietiche. “Per usare una metafora sportiva presa in prestito dal curling, ci siamo avvicinati ancora di più al centro della casa, nel nostro caso le staminali del sangue” precisa Ditadi. “Non siamo ancora dentro perché non abbiamo ancora trovato le chiavi, ma siamo sull'uscio e nel frattempo proviamo a bussare”.
Alla base della ricerca si trova lo sviluppo dell'embrione che, per prepararsi alla vita indipendente, attiva programmi diversi in base alle esigenze che si presentano nel tempo. Il sangue dell'embrione è infatti diverso da quello del feto e poi dell'adulto. “Per esempio, nelle fasi iniziali in cui siamo solo un piccolo grumo di cellule servono globuli rossi ad altissima affinità per l'ossigeno, ma via via che inizia a formarsi la placenta questo non è più necessario, anzi può diventare controproducente” conclude Ditadi. “Oppure i macrofagi, cellule che nella vita adulta sono essenziali per la difesa dell'organismo dai microbi, nell'embrione svolgono principalmente altre funzioni peculiari come il rimodellamento dei tessuti che consente ad esempio di separare le dita di mani e piedi. Da questi esempi si evince come, per ambire a ottenere cellule staminali ematopoietiche funzionanti in vitro, dobbiamo conoscere a fondo tutti i segnali che ne guidano lo sviluppo fin dalle primissime fasi della nostra vita”.
Diverse sono comunque le ricerche che annunciano passi in avanti in questa direzione. La più promettente sembra quella della Washington University School of Medicine di St. Louis, i cui ricercatori hanno messo a punto un preparato artificiale in polvere che, una volta mescolato all'acqua, si trasforma in sangue utile per eventuali trasfusioni.
Lo studio si chiama ErythroMer ed è stato presentato nel corso del congresso della Società americana di ematologia.
«ErythroMer sarà un sostituto del sangue che un medico potrà portare con sé e, letteralmente, tirarlo fuori, aggiungere acqua e iniettarlo», spiega l'autore principale dello studio, Allan Doctor. «È una polvere secca che sembra paprika, può essere conservato in un sacchetto di plastica che un medico si può portare in ambulanza o in uno zaino per oltre un anno. Quando c'è bisogno di usarlo si può riempire il sacchetto con acqua sterile e mescolare e a questo punto il sangue è pronto per essere infuso».
I globuli rossi artificiali sono più piccoli di quelli normali e sono formati da proteine di emoglobina umana purificata rivestite con un polimero sintetico. Proprio il rivestimento polimerico, creato dal prof. Dipanjan Pan, rappresenta la svolta in questo ambito della ricerca medica.
«Abbiamo sostituito il 70% del volume di sangue del topo con il sangue artificiale, rianimando animali in stato di choc per la perdita del 40% del volume sanguigno», hanno dichiarato i ricercatori.
Ovviamente, i globuli rossi artificiali così congegnati non possono sostituire il sangue vero, anche perché ne condividono solo la funzione di liberazione dell'ossigeno e non le altre ugualmente importanti per l'organismo. Ma potrebbe rappresentare la salvezza in situazioni di emergenza, ad esempio per stabilizzare una persona dopo un incidente, in attesa del suo ricovero in ospedale.
I ricercatori partiranno ora con test su conigli e scimmie, prima di passare alla sperimentazione umana.
Nel frattempo, nel giro di un paio di anni, in Gran Bretagna avrà inizio un trial clinico per testare l'efficacia e la sicurezza di sangue di gruppo zero universale creato in laboratorio.
È Marc Turner del Centro di Medicina Rigenerativa del Medical Research Council e Università di Edimburgo a darne l'annuncio, spiegando che la sperimentazione riceverà un maxi-finanziamento di 5 milioni di sterline dal Welcome Trust e coinvolgerà almeno inizialmente tre pazienti talassemici. Come noto, infatti, la talassemia è una malattia che richiede continue trasfusioni.
Il centro di ricerca britannico ha l'obiettivo non solo di giungere alla messa a punto di sangue artificiale, una conquista che sembra alla portata anche di altri team scientifici come vedremo, ma di produrre il plasma su vasta scala partendo dalle cellule staminali umane. Le pluripotenti indotte verranno nutrite in provetta e trasformate in globuli rossi del gruppo zero universale, molto raro ma compatibile con qualsiasi altro gruppo.
Anche uno studio italo-americano è riuscito a creare MP4OX, un sangue artificiale derivato dall'emoglobina umana che potrà essere usato per le trasfusioni d'urgenza senza problemi di compatibilità legati al gruppo sanguigno.
La scoperta, annunciata su Transfusion, è opera del team coordinato dell'Università degli Studi di Milano coordinato da Michele Samaja e da altri ricercatori dell'Università di San Diego e di società biotech californiane.
Stando ai dati della ricerca, MP4OX riuscirebbe anche a svolgere una funzione protettiva nei confronti dei danni prodotti dall'ipossia, ovvero la carenza di ossigeno, e dall'ipovolemia, ovvero il ridotto volume di sangue in circolazione. La sperimentazione su modello animale genera nel cervello una serie di risposte molecolari che spingono i neuroni a difendersi dai danni causati da ipossia e ipovolemia.
Il dott. Samaja spiega: «Si tratta di un risultato straordinario perché il composto si dimostra in grado di indurre nelle cellule la resistenza contro lo shock causato dagli stessi motivi che portano a considerare la trasfusione del sangue come un'opportunità terapeutica. Ha quindi proprietà che potremmo definire, almeno in alcuni casi, terapeutiche rispetto alle attuali necessità di ricorso alle trasfusioni».
Anche un team dell'Università Babes-Bolyai di Cluj-Napoca, in Romania, ha annunciato di aver messo a punto un surrogato del sangue umano che potrebbe essere utilizzato in caso di necessità anche sull'uomo, previa sperimentazione ovviamente.
Il liquido è costituito sulla base di una proteina estratta dai vermi marini e mescolata ad acqua, sale e albumina. L'eventuale uso sull'uomo sarebbe privo di effetti collaterali, stando ai primi test condotti su modello murino.
Il nuovo sangue è incolore perché manca l'emoglobina e al suo interno vi sono proteine note come emeritrine, estratte appunto dai vermi del mare. L'ematologo Radu Silaghi-Dumitrescu spiega comunque che ci vorranno ancora degli anni prima che l'invenzione possa divenire una risorsa negli ospedali.
In precedenza, hanno annunciato la creazione di sangue artificiale anche i ricercatori dell'Università di Santa Barbara e dell'Università del Michigan, che hanno creato in laboratorio alcune cellule dalle caratteristiche comparabili con quelle dei globuli rossi umani, senza presentare effetti indesiderati.
Proprio sul principale compito dei globuli rossi, vale a dire la “movimentazione” dell'ossigeno nell'organismo, si è concentrata la scoperta degli scienziati statunitensi, che hanno pubblicato i risultati ottenuti sulla prestigiosa rivista PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences.
Le cellule sintetiche sono in grado di mantenere la propria capacità di trasportare ossigeno anche a distanza di giorni, secondo i test effettuati in laboratorio. Per creare i succedanei dei globuli rossi, i ricercatori hanno utilizzato particelle di forma sferica costituite da materiale biodegradabile e assolutamente atossico che prende il nome di acido co-glicoide polilattico.
Un altro processo chimico ha portato alla consueta forma a ciambella dei globuli rossi. Una volta assicurata la funzionalità della struttura esterna, gli scienziati hanno pensato al suo rivestimento con emoglobina e altre proteine, la cui presenza ha consentito alla nuova cellula di legarsi all'ossigeno.
L'obiettivo dei ricercatori è quello di fornire ai medici globuli rossi artificiali in grado di trasportare farmaci rilasciandoli in maniera graduale e controllata oppure distribuire sostanze di contrasto che porterebbero vicino alla perfezione una serie di analisi come ad esempio la risonanza magnetica.