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Paolo G. Limoli

La neurorigenerazione retinica cellulomediata Principi, applicazioni e prospettive

FGE Editore

Paolo G. Limoli

La neurorigenerazione retinica cellulomediata Principi, applicazioni e prospettive con la collaborazione di Gianluca Campiglio Nicola Pescosolido Genni Santorelli Sergio Scalinci Duilio Siravo

FGE Editore

Paolo Giuseppe Limoli Responsabile scienti co del Centro Studi Ipovisione di Milano e del Centro Oculistico Eye.com a Palermo, Segretario scienti co della Low Vision Academy e membro della Association of Research on Vision and Ophthalmology. Ha sviluppato il protocollo scienti co per la riabilitazione visiva del soggetto ipovedente in ambiente virtuale. Ha identi cato le metodologie per incrementare la capacità di lettura da associare alla riabilitazione visiva. Ha scoperto il ruolo della ssazione nel processo visivo e le modalità per modi carla ai ni riabilitativi creando una via complementare alla riabilitazione visiva. Unendo la conoscenza della chirurgia del segmento anteriore, della clinica della retina e della riabilitazione visiva sta studiando con successo la possibilità di rendere meno discriminante la condizione dell’ipovedente. Si occupa dal 2002 di rigenerazione tissutale. .

Dedico questo libro alla professoressa Rita Levi Montalcini che mi ha onorato per avermi scelto come suo oculista e chirurgo, stimolando la mia passione verso la ricerca nel campo neurorigenerativo Paolo Limoli

“La neurorigenerazione retinica cellulomediata – Principi, applicazioni e prospettive” © Copyright 2013 – Fabiano Gruppo Editoriale Impaginazione e stampa: FGE Srl Reg. San Giovanni 40 – Canelli(AT) Gli autori e l’Editore declinano ogni responsabilità per eventuali errori contenuti nel testo. Tuttti i diritti sono riservati. È vietata ogni riproduzione totale o parziale senza il consenso dell’autore. ISBN: n. 978-88-97929-29-1 Finito di stampare nel mese di dicembre 2014 FGE S.r.l. – Regione San Giovanni, 40 – 14053 Canelli (AT) Tel. 0141 1768908 Fax 0141 1768900 e–mail: info@fgeditore.it – www.fgeditore.it

Indice

I Premessa .......................................................................................................................................................................................................................................7 La medicina rigenerativa ........................................................................................................................................................................................................9 Il tessuto adiposo ..................................................................................................................................................................................................................77 Le cellule staminali ................................................................................................................................................................................................................95 Le cellule staminali derivate dal grasso ..................................................................................................................................................................123 I fattori di crescita ..............................................................................................................................................................................................................159 Implicazioni bioetiche e medicolegali ......................................................................................................................................................................207

II Il lipo lling ...............................................................................................................................................................................................................................217 Il gel piastrinico ....................................................................................................................................................................................................................235 Cenni anatomofunzionali delle cellule retiniche.................................................................................................................................................245 Apoptopsi e neurobiologia retinica .........................................................................................................................................................................260 Patologie oculari e medicina rigenerativa .............................................................................................................................................................290 Studi clinici sulla rigenerazione neuroretinica ....................................................................................................................................................300 Impianto di lipociti subsclerali .....................................................................................................................................................................................355 Limoli Retinal Regeneration Tecnique ....................................................................................................................................................................365 Anestesia in corso di innesti biologici subsclerali .............................................................................................................................................390 Prospettive...............................................................................................................................................................................................................................405 Abbreviazioni e acronimi.................................................................................................................................................................................................407 Postfazione .............................................................................................................................................................................................................................412

Premessa

Qualche tempo fa, gli scienziati cominciarono a cercare la reale possibilità di rigenerare il corpo umano nei suoi siti carenti, basato su un concetto dove la cura è contenuta nel corpo stesso. L’essenza di tali trattamenti rientrerebbe nella semplicità di reintrodurre ciò che manca, utilizzando il corpo del paziente come origine. Certamente, l’idea di ripristinare parzialmente o integralmente un organo mancante risale a tempi antichissimi. In natura un geco che perda la coda per sfuggire a un predatore, abbandonando l’organo perso ancora tremante, rivede ricrescere una coda nuova già pochi giorni dopo l’episodio. La coda è identica in termini di funzionalità, consistenza, colore, struttura vascolare e nervosa, la crescita è avvenuta in modo autolimitante e senza mutazioni. Perché non potrebbe essere lo stesso con gli esseri umani? Millenni sono passati, e la ricerca di un trattamento magico che permetta la rigenerazione di tessuti, organi e le loro funzioni è ancora in corso. L’espressione miracolosa che sembra comprendere questo dono quasi divino è data dalle cellule staminali. In ne, le creature viventi cosa sono se non l’ingegneria perfetta nata dall’unione di due sole cellule? Da un codice genetico minuscolo, derivato da una miscela di due sorgenti di DNA (ovulo + spermatozoo = zigote), si forma un individuo unico, che matura no al suo completo sviluppo, con un corpo ricco delle proprie caratteristiche e di tanti dettagli. 1.

Stocchero IN, Stocchero GF. Isolation of Stem Cells from Human Adipose Tissue: Technique, Problems, and Pearls. Y.-G. Illouz and A. Sterodimas (eds.), Adipose Stem Cells and Regenerative Medicine, 13 DOI: 10.1007/978-3-642-20012-0_2, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011.

Capitolo 1

La medicina rigenerativa A cura di Paolo G. Limoli

La migliorata conoscenza e le recenti acquisizioni nel campo della biologia cellulare hanno permesso una maggiore comprensione dei processi di danno e riparazione, degenerazione e rigenerazione, demielinizzazione e rimielinizzazione, perdita e recupero funzionale. Da ciò sono derivati nuovi concetti terapeutici, tuttora al vaglio delle comunità scienti che, come neuroplasticità, immunomodulazione, neuroprotezione, neurorigenerazione, neuromodulazione. Nuove linee terapeutiche, le cosiddette cell therapy, sembrano in grado, attraverso ni processi di comunicazione intercellulare microambiente-dipendenti, di orientare la riparazione e la ripresa funzionale di tessuti danneggiati1. Fino ad oggi, le cellule utilizzate con successo in esperimenti pre-clinici e/o in trial clinici includono cellule derivate da cervello fetale o embrionale e del tessuto

del midollo spinale, le cellule staminali (cellule staminali embrionali e adulte, cellule staminali o progenitrici neurali, cellule staminali ematopoietiche, derivate da tessuto adiposo, derivate dal midollo osseo, cellule staminali pluripotenti indotte), cellule gliali (cellule di Schwann, oligodendrociti, cellule olfattive, astrociti e microglia), cellule neuronali (neuroni fenotipicamente differenti e le cellule di Purkinje), cellule stromali mesenchimali provenienti dal midollo osseo, dal cordone ombelicale, dal sangue del cordone ombelicale, cellule derivate dall’epitelio pigmentato retinico, cellule amniotiche e placentari, derivati ematici, cellule adipose, macrofagi attivi. Tutto ciò lascia supporre l’inizio di una nuova branca terapeutica basata sulla terapia cellulare nalizzata al restauro di caratteristiche anatomiche e funzionali di tessuti nervosi dell’uomo de nita Neurorestoratology o Scienza della Neurorigenerazione 2-4.

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CAPITOLO 1: LA MEDICINA RIGENERATIVA

Principi base della Associazione Internazionale di Neurorigenerazione (IANR) 1. With rapid development of basic and clinical advancement on neural restoration, neurorestoratology has become a distinct discipline within neurosciences. 2. World wide neurological impairment due to neurodegeneration and neural injury is a major factor reducing human longevity and quality of life. Neurorestoratology seeks therapeutic solutions to this problem. 3. Neurorestoratology is the sub-discipline of neuroscience that studies neural regeneration, repair and replacement of damaged components of the nervous system, neuroplasticity, neuroprotection and neuromodulatory mechanisms of recovery. The goal of neurorestoratology is to promote recovery of neural function. 4. The research and scope of neurorestoratology cover causes and treatments of neurotrauma, neurodegeneration, cerebrovascular anoxia or ischemia, edema, demyelination, sensory and motor disorders, and neuropathic pain, as well as neural damage resulting from toxic, physical and chemical factors, immune, infectious, in ammatory, hereditary, congenital, developmental, and other causes of neural injury. 5. Neurorestorative therapies include regeneration and reconstruction of nervous tissues by transplantation of tissue, cells, or biomaterials and bioengineering, modulation by electro-magnetic stimulation, pharmaceutical or chemical therapies, and combinations of the above. 6. Functional recovery is the objective of neurorestoratology, requiring close integration of neurorestorative and neurorehabilitative therapies, as well as the practice of clinical and preventative medicine to minimize complications of neural degeneration and damage. 7. Neurorestoratology recognizes the importance of small functional gains that have signi cant effects on quality of life. Neurorestoratology is interested in the mechanisms of spontaneous activity and enhancing this recovery. 8. Neurorestoratology supports the highest standards for clinical trials to evaluate the safety and ef cacy of its neurorestorative therapies, the establishment of validated outcome measures, and ethical treatment of patients. 9. The International Association for Neurorestoratology will develop guidelines for neurorestorative therapies, seek and encourage development of new therapies, promote multi-center collaboration, and will contribute to the training of people in the eld. (Copyright-free for global publication, reprint and translation of the â€œDeclarationâ€? ) Adopted by the 2nd IANR Annual Conference General Assembly, Beijing, China, April 26, 2009 Proposed by Hongyun Huang (China) President, International Association of Neurorestoratology; President, Beijing Hongtianji Neuroscience Academy; Chairman, Department of Neurosurgery Beijing Rehabilitation Center; Director & Prof., Neuroscience Institute of Taishan Medical University Geoffrey Raisman (UK) FRS, Advisor Board member, International Association of Neurorestoratology; Prof., Neural Regeneration at University College London; Director, the Spinal Repair Unit at the Institute of Neurology

Wagih S El Masri (UK) Consultant Surgeon in Spinal Injuries. Director, Midlands Centre for Spinal Injuries RJ & AH Orthopaedic Hospital Oswestry Shropshire; Advisor Board Member, International Association of Neurorestoratology Dajue Wang (UK) Advisor Board member, International Association of Neurorestoratology; Project Advisor, Spinal Cord Repair, Institute of Neurosciences, Beijing; Editorial Board Member of Spinal Cord

La neurorigenerazione retinica cellulomediata Principi, applicazioni e prospettive

Tiansheng Sun (China) Vice-President, International Association of Neurorestoratology; Vice president of Beijing Army General Hospital; Prof. & Chair, Orthopedic Department, Beijing Army General Hospital Enzhong Liu (China) Vice-President, International Association of Neurorestoratology; Director & Prof., Neurosurgical Institute of Haerbin Medical UniversityHuancong Zuo (China) Vice President, Medical College of Tsinghua University & President, Yuquan Hospital of Tsinghua University; Prof. Neurosurgical Department Changman Zhou (China) Prof., Department of Anatomy & Embryo, Peking University Health Science Center; Vice- President, the Chinese Society of Anatomical Sciences; Vice-Editor-in-Chief, ACTA Anatomica Sinica; Editor of Clinical Anatomy (USA) Lin Chen (China) Secretary General, International Association of Neurorestoratology; Vice-Chairman, Department of Neurosurgery, Beijing Rehabilitation Center; Associate Prof., Neuroscience Institute of Taishan Medical University Michael Chopp (USA) Vice Chairman, Research of the Department of Neurology, Henry Ford Health Systems; Zoltan J. Kovacs chair in Neuroscience Research, and Distinguished Professor, Physics at Oakland University Almudena Ramon-Cueto (Spain) Head of the Laboratory of Neural Regeneration Institute of Biomedicine, Valencia, Spanish National Research Council Albert Bohbot (France) Council Member, International Association of Neurorestoratology; Member, World Association for Laser Therapy; Member, World Academy for Laser Applications; Member of International Society for Quality of Care, Founder and director of Laboratory of research on the laserponcture® Ziad .M. Al Zoubi (Jordan) Consultant, Spinal and Ortho. Surgery; Secretary General, Pan Arab Spine Society; Chairman, World Spine Fellowship; Council Member, International Association of Neurorestoratology Klaus R.H. von Wild (Germany) Prof. of Neurosurgery Medical Faculty of the Westphälische Wilhelms-University Münster; Presidium of World Federation of Neurorehabilitation (WFNR) and Committee of Neurorehabilitation and Reconstructive Neurosurgery in World Federation of Neurological Surgery (WFNS) Robert M. Levy (USA) Prof., Neurological Surgery Feinberg School of Medicine Northwestern University, Chicago Eva Sykova (Czech) Prof. Institute of Experimental Medicine, Academy of Sciences of the Czech Republic, Prague

Carlos Lima (Portugal) Prof., Neuropathology Laboratory Department of Neurology Hospital de Egas Moniz, Lisbon Patricia E. Phelps (USA) Prof., Department of Physiological Science and Brain Research Institute UCLA, Los Angeles. CAGerson Chadi (Brazil) Prof. & Director of Experimental Neurology Unit; Coordinator of the Neuroregeneration Research Center. Department of Neurology. University of Sao Paulo School of Medicine Chee-Pin CHEE (Malaysia) President, Asian Congress of Neurological Surgeons Elena Chernykh (Russia) Prof., Institute of Clinical Immunology, Siberian Division of the Russian Academy of Medical Sciences Debora R. Fior Chadi (Brazil) Associate Prof., Department of Physiology. Institute of Biosciences. University of São Paulo, SP Brazil Krystyna Domanska-Janik (Poland) Prof. NeuroRepair Dept; Medical Research Center. Polish Academy of Sciences, Warsaw, Poland Foo-Chiang LEE (Malaysia) FRACS Neurosurgeon, Dept of Neurosurgery Sunway Medical Center, Malaysia Gustavo Moviglia (Argentina) Prof., Immunology and Cellular Therapy. Maimonides University Buenos Aires – Argentina; Council Member, International Association of Neurorestoratology Yoon Ha (Korea) Assistant Prof., Department of Neurosurgery, Yonsei University College of Medicine, Seoul, Korea Russell J Andrews (USA) Ames Associate (Smart Systems and Nanotechnology) ; NASA Ames Research Center, Moffett Field, CA, USA Milan Dimitrijevic (USA & Slovenia) Emeritus Prof., Baylor College of Medicine, Houston, Texas, USA; Sr. Science Consultant to the University Institute of Clinical Neurophysiology, Ljubljana, Slovenia Paul R. Sanberg (USA) Associate Vice President for Research and Innovation; Distinguished University Prof. and Director, Center of Excellence for Aging and Brain Repair, University of South Florida; Vice-Chairman, Department of Neurosurgery, University of South Florida College of Medicine Mrabet. Abdelfattah (Tunis) President, the 5th Pan Arab Spine Congress; President, Tunisian Group of Spine cord Study and Research, Orthopedic Professor, Spine Surgeon Song Jianxing (Singapore) Associate Prof., Departments of Biochemistry and Biological Sciences, National University of Singapore. Wise Young (USA) Founding Director of the WM, Keck Center for collaborative Neuroscience and Richard H. Shindell Chair in Neuroscience, Rutgers, the state University of New Jersey, USA, Advisor Board Member, International Association of Neurorestoratology

CAPITOLO 1: LA MEDICINA RIGENERATIVA

De nizione La Neurorigenerazione è stata chiaramente de nita dalla International Association of Neurorestoratology (IANR) come una sotto-disciplina distina e una nuova branca delle neuroscienze che studia le strategie terapeutiche per la rigenerazione neuronale, riparazione e sostituzione dei componenti danneggiati del sistema nervoso, la neuroplasticità, la neuroprotezione, la neuromodulazione, l’angiogenesi, l’immunomodulazione, e i loro meccanismi al ne di favorire un miglioramento, sia funzionale che anatomico. Il nucleo della Neurorigenerazione è quello di ripristinare la funzione neurologica negli esseri umani. Il campo di ricerca della Neurorigenerazione comprende vari trattamenti rigenerativi compreso

il trapianto di tessuti, cellule, biomateriali. Si occupa inoltre di bioingegneria applicata, di neuromodulazione, con vari tipologie di stimolazione (elettrica, magnetica, chimica, farmacologica) di terapie a largo spettro in presenza di trauma neurologico, neurodegenerazione, anossia o ischemia cerebrale, edema, demielinizzazione, disturbi sensoriali o motori, dolore neuropatico, danni neurali derivanti da fattori tossici, sici e chimici, immunitari, infettivi, lesioni in ammatorie intrattabili, danni ereditari, congeniti, da alterazione dello sviluppo. In altre parole di compiere il sogno più insperabile di ogni processo riabilitativo: il ripristino delle funzioni originali1.

The International Association of Neurorestoratology. Beijing Declaration of International Association of Neurorestoratology (IANR) Cell Transplant. 2009;18(4):487).

La neurorigenerazione retinica cellulomediata Principi, applicazioni e prospettive

Cenni storici Nell’antichità la lesione del midollo spinale era già conosciuta e descritta come “vertebra schiacciata nel collo”, così come i conseguenti sintomi di deterioramento neurologico per i quali non esisteva alcun trattamento come riporta il Papiro Edwin Smith (1650 a.C.) ritrovato nella piramide di Imhotep nella necropoli di Saqqara di contenuto prevalentemente chirurgico1. Quasi 90 anni fa Ramon y Cajal (1926) ha affermato con certezza: “Al termine dello sviluppo, la crescita e la rigenerazione degli assoni e dei dendriti cessano

Figura 1: Ramon Y Cajal premio Nobel per la medicina nel 1906 e la sua rappresentazione gra ca della struttura corticale.

irrevocabilmente. Le vie nervose adulte appaiono come qualcosa di sso, concluso e immutabile. Tutto può morire, nulla può essere rigenerato. Compito futuro della scienza è cambiare, se possibile, questo duro decreto” 2. La rigenerazione e il ripristino del sistema nervoso centrale danneggiato viene considerato come atto impossibile all’inizio del secolo scorso, anche se gli scienziati hanno cercato di studiare il mistero speciale della vita umana attraverso il trapianto di tessuti cerebrali3, l’elettrostimolazione4, il fattore di crescita nervosa (NGF) e sua somministrazione5, la terapia genica6, e così via. Comunemente, i medici delle discipline cliniche tradizionali hanno ritenuto in passato che non potessero esserci trattamenti ef caci in casi di ictus, traumi al sistema nervoso centrale o malattie neurodegenerative. La maggior parte della comunità medica ancora oggi continua a pensare che pure essendo aumentata enormemente la conoscenza dei processi siopatologici, non siano ancora realmente disponibili metodi terapeutici per ripristinare, anche parzialmente, la funzione neurologica compromessa. Invece le terapie in questi casi sono essenzialmente di tipo assistenziale e riabilitativo1. Purtroppo, la maggior parte dei medici rimane inconsapevole della crescente quantità di prove pubblicate

Figura 2: Risultati per anno di lavori pubblicati sul tema della germinazione assonale (axon sprouting) dal 1966 a metà del 2012. L’incremento rende l’idea del crescente interesse da parte della comunità scienti ca nei confronti delle procedure neurorigenerative.

CAPITOLO 1: LA MEDICINA RIGENERATIVA

Figura 3: Huang, Chen and Sanberg: Distribuzione delle malattie trattate con metodi clinici nell’ambito delle neuroscienze e delle relative discipline mediche correlate. Le sequele sono attutite essenzialmente dalla neuroriabilitazione, ma potrebbe esserci un grosso margine terapeutico ad opera della neurorigenerazione af ancata alla neuroribilitazione.

riguardanti il restauro funzionale del SNC mediante procedure di neuromodulazione, neuroprotezione, germinazione assonale, ricostruzione dei circuit neuronali, neurogenesi, neurorigenerazione, neuroriparazione e neurosostituzione in modelli animali e umani7-14. L’eterno desiderio degli esseri umani di prolungare e migliorare la qualità della loro vita, dovrebbe guidare senza dubbio l’istinto e la responsabilità di medici e neuroscienziati nella ricerca di metodi terapeutici veramente ef caci.

E’ troppo pessimista, oltreché inadeguato, per i medici dire sempre che non vi è alcun modo per aiutare i pazienti con sequele di malattie e danni al sistema nervoso centrale. Dunque questa nuova disciplina, la scienza della Neurorigenerazione, destinata a sorgere dall’innovazione nell’ambito delle neuroscienze, risponde ad una domanda ben precisa e mira a creare ef caci strategie terapeutiche a bene cio dei pazienti.

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La neurorigenerazione retinica cellulomediata Principi, applicazioni e prospettive

10. Park DH, Eve DJ, Musso J, 3rd, Klasko SK, Cruz E, Borlongan CV, Sanberg PR. In ammation and stem cell migration to the injured brain in higher organisms. Stem Cells Dev. 2009;18(5):693–702. 11. Park DH, Eve DJ, Sanberg PR, Musso J, 3rd, Bachstetter AD, Wolfson A, Schlunk A, Baradez MO, Sinden JD, Bickford PC, Gemma C. Increased neuronal proliferation in the dentate gyrus of aged rats following neural stem cell implantation. Stem Cells Dev. 2010;19(2):175–180. 12. Pollock K, Stroemer P, Patel S, Stevanato L, Hope A, Miljan E, Dong Z, Hodges H, Price J, Sinden JD. A conditionally immortal clonal stem cell line from human cortical neuroepithelium for the treatment of ischemic stroke. Exp. Neurol. 2006;199(1):143–155. 13. Shimazaki T. Biology and clinical application of neural stem cells. Horm. Res. 2003;60 Suppl. 3:1–9. 14. Yasuhara T, Hara K, Maki M, Mays RW, Deans RJ, Hess DC, Carroll JE, Borlongan CV. Intravenous grafts recapitulate the neurorestoration afforded by intracerebrally delivered multipotent adult progenitor cells in neonatal hypoxic-ischemic rats. J. Cereb. Blood Flow Metab. 2008;28(11):1804–1810.

CAPITOLO 1: LA MEDICINA RIGENERATIVA

Evoluzione della scienza della Neurorigenerazione Neurologia rigenerativa Dimitrijevic ha presentato questo termine nel 1985. È stato de nito come il ramo delle scienze neurologiche che hanno applicato le procedure atte a migliorare il funzionamento del sistema nervoso attraverso selettive modi cazioni strutturali e funzionali

di controlli neurologici anomali, potenziando meccanismi di base e funzioni residue clinicamente non evidenti. Le strategie di intervento clinico includono neurostimolazione, neuromodulazione, e neurotomie1, trapianti di cellule2, innesti di fattori di crescita3 e farmaci4.

Dimitrijevic MR. Recent achievements of restorative neurology. Switzerland: Karger; 1985.

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Neurochirurgia rigenerativa Questo termine è stato dedotto dalla Liberson nel 19871. La neurochirurgia rigenerativa, disciplina di frontiera della neurochirurgia, mira a ripristinare potenzialmente la funzione perduta.

Le strategie di intervento comprendono la terapia genica2, i fattori neurotro ci, il trapianto di cellule3, 4, 5, ingegneria dei tessuti6 e la neurostimolazione7, 8.

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La neurorigenerazione retinica cellulomediata Principi, applicazioni e prospettive

Chirurgia o terapia neurorigenerativa Le strategie di intervento includono terapie basate

su impianto chirurgico di cellule, su trattamenti farmacologici1 ed elettrostimolazione2.

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Scienza della Neurorigenerazione Le strategie di intervento includono il trapianto di cellule, la stimolazione, e la medicina1. Ciò che sottendono i vari trattamenti n qui citati non indicano distinte discipline mediche o chirurgiche. Tuttavia l’emergere del termine “neurorigenerazione”, altrettanto impor-

tante rispetto alla neurologia e neurochirurgia, segnala la nascita di una nuova disciplina che comprende tutte queste modalità terapeutiche2. I potenziali meccanismi d’azione delle tecniche neurorigenerative sono evidenziati nel prossimo paragrafo.

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CAPITOLO 1: LA MEDICINA RIGENERATIVA

Meccanismi neurorigenerativi della terapia cellulare. Premessa: Neurogenesi e neurotro ne Il nostro cervello è formato da 85 miliardi di neuroni interconnessi. Ogni neurone riceve segnali dai neuroni vicini e quindi decide se inviare o no il proprio segnale ad altre cellule nervose. L’azione combinata di tutti questi neuroni ci permette di sentire il mondo circostante, di elaborare ciò che sentiamo e di agire di conseguenza. Questa struttura così complessa si forma in soli nove mesi, il periodo nel quale l’embrione si trasforma in un bambino. Le cellule nervose appena formate hanno una forma compatta come le cellule normali, ma poi

producono delle protuberanze, i lunghi assoni e i dendriti, connettendosi così ad altre cellule del cervello o anche a parti completamente diverse del corpo. Nel cervello in crescita, i neuroni veri cano l’ef cenza dei collegamenti realizzati coi neuroni vicini e individuano quelli migliori. I neuroni che non vengono inclusi in questa rete vengono eliminati. Il loro numero è molto elevato e può raggiungere anche la metà del totale nelle aree più affollate. I neuroni rimanenti diventano il sistema nervoso. Per tutto il resto della vita, normalmente questi neuroni non si riproducono, anche se producono nuovi dendriti per collegarsi con le cellule vicine quando il

Figura 4: il fattore di crescita dei nervi NGF per il quale ha vinto il premio Nobel Rita Levi-Montalcini).

Figura 5: Esistono due tipi di recettori sulla super cie delle cellule nervose che sentono il livello delle neurotro ne e decidono la vita o la morte della cellula2. I recettori TRK si legano alle neurotro ne e mandano un segnale positivo alla cellula stimolandone la sopravvivenza o la crescita. Questi recettori sono le grandi proteine che sono state trovate immerse nella membrana delle cellule nervose, con la porzione che lega la neurotro na all’esterno della cellula e una porzione tirosina chinasi all’interno della cellula. La struttura mostrata sulla sinistra contiene un dominio della porzione esterna del recettore (gli altri domini sono mostrati schematicamente). Notate che due recettori (mostrati in blu) si legano su entrambi i lati della neurotro na. Un secondo recettore, mostrato sulla destra, chiamato recettore della neurotro na p75, produce il risultato opposto. Quando si lega alle neurotro ne, induce la morte della cellula.

La neurorigenerazione retinica cellulomediata Principi, applicazioni e prospettive

sistema nervoso cresce o ripara aree danneggiate. Le neurotro ne sono una famiglia di proteine che determinano la sopravvivenza, lo sviluppo e la funzione dei neuroni. Esse appartengono a una classe di fattori di crescita conosciute come fattori neurotro ci. I fattori neurotro ci sono secreti dal tessuto bersaglio e agiscono impedendo al neurone associato di avviare la morte cellulare programmata, consentendo in tal modo ai neuroni di sopravvivere. Le neurotro ne possono anche indurre la differenziazione delle cellule progenitrici, per formare neuroni. Durante il processo di sviluppo del sistema nervoso, le neurotro ne aiutano le cellule nervose a decidere se devono vivere o morire. Le neurotro ne sono piccole proteine secrete nel sistema nervoso. Un livello basso e stabile di neurotro ne è necessario per mantenere vive le cellule nervose. Comunque, in certi casi, la presenza di neurotro ne può avere l’effetto opposto e dare inizio al processo di morte controllata della cellula. Durante lo sviluppo del sistema nervoso, i livelli locali di neurotro ne controllano l’eliminazione delle cellule nervose non desiderate. Più tardi nella vita, le neurotro ne vengono usate per stimolare la crescita di nuovi dendriti in zone che ne hanno bisogno, e per causare la morte dei dendriti non desiderati nelle aree troppo affollate1, 2. Finora sono stati scoperti quattro tipi di neurotro ne: il fattore di crescita nervoso o Neural Growth Factor (NGF), il fattore di crescita cerebrale o Brain Derived Growth Factor (BDGF), la neutrotro na 3 e la neurotro na 4. Ognuno di questi ha proprietà lievemente diverse e agisce in modo diverso su un insieme particolare di cellule nervose. Tutti hanno una struttura simile,

formata da due catene identiche. Sono così simili che, in alcuni casi, uno può sostituire l’altro. Molte malattie debilitanti, come il morbo di Alzheimer, l’infarto e il cancro provocano danni al sistema nervoso attraverso un cattivo funzionamento delle neurotro ne. La normale strategia terapeutica per contrastare questi problemi è somministrare neurotro ne per controllare le perdita di funzione dei nervi. Sfortunatamente, le neurotro ne non durano molto a lungo nel corpo quando vengono usate come farmaci e inoltre provocano signi cativi effetti collaterali. Così ora i ricercatori stanno cercando nuovi farmaci che riescano ad ingannare le cellule inducendole a credere che stiano ricevendo segnali dalle vere neurotro ne.

Figura 6: Le neurotro ne devono essere stabili nell’ambiente esterno alle cellule. Per aiutare questa stabilità, tutti i quattro tipi di neurotro ne hanno un’insolita serie di tre ponti disolfuro che costringono ogni catena a mantenere la conformazione con il giusto ripiegamento. Qui sono mostrate due neurotro ne: il fattore di crescita dei nervi sulla sinistra, e la neurotro na 4 sulla destra. Se esaminate queste proteine da soli, notate che entrambe le terminazioni della catena sono immobilizzate da questi ponti disolfuro.

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CAPITOLO 1: LA MEDICINA RIGENERATIVA

Neuroprotezione da neurotro ne e modulazione immunitaria o in ammatoria Le cellule staminali mesenchimali del midollo osseo (BM-MSC: Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells) hanno la capacità di modulare risposte immunitarie e in ammatorie in topi con malattia di Alzheimer (AD), contrastandone la siopatologia, e rallentando il declino cognitivo associato ai depositi di E-amiloide (AE)1. Cellule staminali neurali (NSPCs: Neural Stem/Precursor Cells) possono essere impiegate come strumento di regolazione immunitaria nell’encefalomielite autoimmune2. Gli studi di Chopp e colleghi hanno dimostrato che il trapianto di cellule staminali mesenchimali (MSCs: Mesenchymal Stem Cells) nel cervello porta alla secrezione di neurotro ne, fattori di crescita e altre

sostanze di supporto dopo lesione cerebrale3 che, modi cando il microambiente della zona danneggiata, facilitano in modo continuativo i meccanismi endogeni neurorigenerativi riducendo apoptosi e morte cellulare4. Garbuzova-Davis et al.5 e Zwart et al.6 ha riferito che una dose adeguata di cellule mononucleate del sangue del cordone ombelicale umano (MNC hUCB: MonoNuclear Cell human Umbilical Cord Blood), può fornire un effetto neuroprotettivo dei neuroni motori attraverso il loro stesso coinvolgimento nel modulare la risposta in ammatoria del sistema immunitario ospite. Le cellule stromali derivate da tessuto adiposo forniscono neuroprotezione attribuibile alla attivazione della caspasi-3 e al sostegno fornito dalla secrezione paracrina di fattori tro ci7.

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La neurorigenerazione retinica cellulomediata Principi, applicazioni e prospettive

Neurogenesi ed angiogenesi Nei primi studi su modelli animali basati su trattamenti con cellule staminali neurali, pochissime cellule diventavano neuroni1: pertanto si riteneva che non vi era alcuna evidenza che “nuovi” neuroni avrebbero potuto reinnervare muscoli denervati2. Altri studi più recenti evidenziano invece che le cellule mesenchimali stromali3, 4 e le cellule staminali neurali possono sopravvivere, migrare e differenziar-

si in cellule endoteliali, gliali e neuronali5, 6, possono trasformarsi in neuroni funzionalmente attivi7 che formano sinapsi tra host e donatore8, sollecitare in epoca successiva un ulteriore riparazione funzionale nel sistema nervoso centrale adulto9-15. Inoltre, prove sperimentali dimostrano che le cellule stromali del midollo osseo sono in grado di rimodellare le strutture vascolari grazie alla loro ricchezza in fattori di crescita endoteliali (VEGF: Vessel Endotelium Growth Factor)16.

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CAPITOLO 1: LA MEDICINA RIGENERATIVA

Neuroriparazione e rimielinizzazione Diverse tipologie cellulari hanno dimostrato di avere un potenziale nella riparazione di danni di strutture

nervose o nei processi di rimielinizzazione del sistema nervoso centrale1-5.

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Neurorigenerazione e germinazione assonale Le cellule di Schwann (SC: Schwann Cells) possono indurre germinazione assonale dei neuroni motori e sensoriali nel midollo spinale di ratto adulto1. Nel sistema nervoso esistono cellule molto simili alle cellule di Schwann dette cellule staminali olfattive (OECs: Olfactory Ensheathing Cells).

Figura. 7: Modalità di trattamento del danno spinale mediante cellule staminali olfattive prelevate dal bulbo olfattivo, per gentile concessione del prof. Carlos Lima (Portogallo).

I tessuti olfattivi hanno l’insolita capacità di rigenerarsi continuamente durante l’età adulta, sebbene siano un tessuto nervoso. I recettori neurali olfattivi hanno infatti una vita media di circa 6 settimane e devono essere rimpiazzati dalle cellule staminali olfattive2. Le OECs sono in parte responsabili della neurogenesi dei neuroni olfattivi primari attraverso i processi di fascicolazione, ordinamento delle cellule e del targeting assonale3. Le OECs sono simili alle cellule di Schwann in quanto forniscono una sovra-regolazione dei recettori a bassa af nità p75, ma a differenza delle cellule di Schwann producono più alti livelli di neurotro ne. Diversi studi hanno evidenziato come OECs siano in grado di sostenere la rigenerazione degli assoni lesionati2. Le OECs sono state studiate a fondo in relazione alle lesioni del midollo spinale, sclerosi laterale amiotro ca e altre malattie neurodegenerative malattie. I ricercatori suggeriscono che queste cellule possiedono una capacità unica di rimielinizzare neuroni danneggiati4. Tali cellule, introdotte nel midollo spinale traumatizzato sono in grado, dopo il trapianto, di supportare lo sviluppo o la crescita degli assoni e la continua rigenerazione del tratto caudale denervato dell’ospite con conseguente recupero delle funzioni neurologiche5-9, inoltre determinano un incremento delle capacità funzionali nei casi di lesione cronica della colonna vertebrale10.

La neurorigenerazione retinica cellulomediata Principi, applicazioni e prospettive

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Neural Network, Ricostruzione Neurale, Neuroplasticità, e Neurosostituzione In neuroanatomia e neuroembriologia, una eminenza gangliare (GE: Ganglionic Eminence) è una struttura cerebrale transitoria presente nelle fasi embrionali e fetali dello sviluppo cerebrale. Le eminenze si trovano nella parte ventrale del telencefalo, dove formano rigon amenti nei ventricoli. Questi rigon amenti si sviluppano successivamente nei gangli della base1. L’eminenza gangliare contribuisce in modo signi cativo alla costruzione della popolazione GABAergica delle cellule corticali. Nel modello murino di stroke, in seguito ad un innesto tissutale proveniente dall’eminenza mediale gangliare (MGE), le cellule trapiantate possono differenziarsi in diversi sottotipi neuronali, stabilire un contatto sinaptico con le cellule ospiti, aumentare l’espressione di marcatori sinaptici, e migliorare la riorganizzazione assonale nella zona danneggiata.

Figura 8. Le cellule derivanti dall’Eminenza Mediale Gangliare (MGE) contribuiscono per migrazione e duplicazione, a generare molti distretti del successivo sistema nervoso centrale, in particolar modo la neocorteccia cerebrale. Tali cellule mantengono questa capacità anche nei tessuti cerebrali dell’ospite (per gentile concessione di Nature Reviews Neurosciences).

CAPITOLO 1: LA MEDICINA RIGENERATIVA

La registrazione con patch-clamp che studia l’attività dei canali ionici cellulari, ha dimostrato che le cellule MGE trapiantate ricevono correnti postsinaptiche dalle cellule ospiti. Il recupero funzionale potrebbe essere mediato da un sostegno neurotro co, la nuova elaborazione di un circuito sinaptico, e la valorizzazione del tratto indotta da fenomeni di neuroplasticità2.

Il trapianto di neuroni embrionali produttori di dopamina (DA) nella substantia nigra (SN) indicano che i neuroni DA potrebbero estendere i propri dendriti verso un target desiderato attraverso il tronco cerebrale e il diencefalo caudale per ricostruire i circuiti neurali dai neuroni innestati nell’ospite3, 4. L’applicazione di cellule staminali per la terapia neurosostitutiva pertanto può considerarsi scienza5, 6.

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Neuromodulazione e Neuroriparazione da modi ca al microambiente neurale Huang et coll. hanno dimostrato che i pazienti con lesione cronica del midollo spinale hanno un rapido recupero di alcune funzioni in seguito a trapianto di OECs. La spiegazione è che tali cellule hanno modi cato il microambiente locale, favorendo la secrezione di sostanze biochimiche utili o di fattori di crescita, che possono promuovere la crescita delle cellule nervose, sbloccare gli assoni quiescenti, e quindi ripristinare alcune delle funzioni perdute1. Un altro studio ha anche suggerito che l’acido J-aminobutirrico (GABA: J aminobutyric acid) e la glicina, due neurotrasmettitori inibitori secreti dalle cellule trapiantate potrebbero essere un ef cace strumento clinico per il trattamento delle lesioni del midollo

spinale (SCI: Spinal Cord Injury) associato a dolore neuropatico2. L’innesto di un mix di cellule staminali / stromali derivate dalla polpa dentale (DPSC: Dental Pulp Stem Cells) favorisce la proliferazione, il reclutamento e la maturazione di cellule staminali o progenitrici dell’ospite. Il meccanismo con cui questo avviene sembra derivare dalla capacità di modulare il microambiente locale grazie all’immissione paracrina di alcuni fattori biochimici quali: il fattore neurotro co ciliare (CNTF: Ciliary NeuroTrophic Factor), il fattore di crescita vascolare endoteliale (VEGF: Vessel Endotelium Growth Factor), il fattore di crescita dei broblasti (FGF: Fibroblast Growth Factor) che agiscono come stimolatori e modulatori della risposta di riparazione locale nel sistema nervoso centrale3, 4.