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LE CELLULE STAMINALI:
dalla ricerca di base alle applicazioni
Caratteristiche generali
•
•
•
•
Hanno grande potenziale proliferativo
Sono capaci di autorinnovamento
Sono generalmente pluripotenti
Sono presenti in tutti gli stadi di sviluppo:
– Embrionale (ESC)
– Fetale (FSC)
– Adulto (ASC)
• Provvedono:
– allo sviluppo embrionale e fetale
– alla rigenerazione ed all’omeostasi di organi adulti
Divisioni cellulari simmetriche e
asimmetriche
Cellule staminali
embrionali (ESC)
Cellule staminali embrionali (ESC)
• Edwards (1967): da blastocisti di coniglio vengono
ottenute cellule che, coltivate in vitro, formano aggregati
(embryoid bodies) o monostrati che possono essere
propagati per diverse generazioni e congelati.
(A) Embrione allo stadio di due cellule marcate in
modo differenziale per seguire il destino delle
cellule discendenti, (B) blastocisti, polo embrionale
— in alto —, polo abembrionale — in basso (da
PEARSON H., Developmental Biology: your
destinyfrom day one, Nature 2002, 418: 15)
• Evans e Kaufman (1981): coltivano blastocisti di topo,
ottenendo ESC pluripotenti.
Science, Vol 282, Issue 5391, 1145-1147 , 6 November 1998
Embryonic Stem Cell Lines Derived from
Human Blastocysts
James A. Thomson, * Joseph Itskovitz-Eldor, Sander S. Shapiro, Michelle A.
Waknitz, Jennifer J. Swiergiel, Vivienne S. Marshall, Jeffrey M. Jones
“…These cell lines should be useful in human developmental biology,
drug discovery, and transplantation medicine.”
Cellule staminali pluripotenti umane
(ESC, EGC,ECC)
ESC
EGC
ECC
Applicazioni terapeutiche delle ESC
Applicazioni terapeutiche delle ESC
Clonazione terapeutica
Cellule staminali adulte (ASC)
• La classificazione di Bizzozero (1894):
– tessuti ad elementi labili: epitelio germinale del testicolo,
midollo osseo, milza e linfonodi, epiteli di rivestimento e
loro derivati;
– tessuti ad elementi stabili: fegato, rene, pancreas, alcune
ghiandole, tessuti connettivi e muscolo liscio;
– tessuti ad elementi perenni: muscolo striato scheletrico e
cardiaco, tessuto nervoso;
E’ oggi superata dalla dimostrazione che, anche in
quei tessuti, considerati privi di cellule mitotiche allo
stadio adulto, sono presenti cellule staminali.
Tipi di ASC nei mammiferi
• Le più studiate: cellule staminali
ematopoietiche e germinali maschili;
• Le sorelle delle ematopoietiche:
cellule staminali endoteliali;
• Le più versatili: cellule staminali
mesenchimali;
• Le meno versatili: cellule staminali
epidermiche;
• Le più recenti: cellule staminali
neurali e germinali femminili;
• Le più sconosciute: cellule staminali
epatiche, pancreatiche e renali.
Caratteristiche delle ASC
• Le ASC sono cellule quiescenti e con fenotipo differenziato: per
questo è difficile identificarle in vivo, in condizioni normali.
• Sono capaci di autorinnovamento, dividendosi sia
simmetricamente che asimmetricamente.
• In base al tessuto di appartenenza, hanno un tasso di
proliferazione diverso.
• In base al tessuto di appartenenza, hanno un fenotipo diverso.
• In base al tessuto di appartenenza, sono uni- o pluripotenti.
• L’idea che le ASC siano cellule “primitive” e indifferenziate è
superata.
La nicchia
• Microambiente tessutospecifico ove si realizzano
condizioni “embrionali” in
grado di mantenere lo stato
staminale delle ASC,
controllarne la proliferazione e
indirizzarne il
differenziamento.
• Cellule mesenchimali non
staminali, dette cellule della
nicchia, interagiscono con le
ASC, attraverso giunzioni
intercellulari, secrezione di
molecole segnale e di
componenti della matrice
extracellulare (ECM).
Nicchie germinali
• testicolo di
mammifero;
• testicolo ed ovario
di Drosophila;
• gonade
ermafrodita di
Caenorabditis.
Nicchie somatiche
• Epidermide e annessi;
• Cripte intestinali;
• Ematopoietiche: nel midollo
osseo, a contatto con
osteoblasti;
• Neurali: in prossimità dei
ventricoli, a contatto con
cellule ependimali;
• Nel rene si pensa che la
nicchia risieda nella papilla.
La nicchia
• Conoscere le nicchie
– permette di comprendere la regolazione normale delle
attività delle ASC e la disregolazione in patologie, come
cancro e malattie degenerative;
– permette di riprodurre in vitro il microambiente;
– può costituire un bersaglio nelle applicazioni
terapeutiche delle ASC.
Caratteristiche molecolari delle nicchie
• Molecole segnale e
morfògeni prodotti
dalle cellule della
nicchia:
– FGF, EGF, necessari
per stimolare la
proliferazione;
– superfamiglia del
TGFβ (BMPs;
Noggin), indirizzano il
differenziamento.
• Recettori e vie di
segnalazione
intracellulare sulle ASC:
– FGFR; TGFR;
– Shh, importante per il
mantenimento dello stato
staminale;
– Wnt, implicato nella scelta
di specifiche vie
differenziative;
– Notch, implicato nella
divisione asimmetrica.
Caratteristiche molecolari delle nicchie
• Componenti del
glicocalice e della
matrice extracellulare e
relativi recettori:
– Integrine;
– laminina, fibronectina,
tenascina;
– proteglicani;
– PSA-NCAM;
– LeW/SSEA.
• Molecole delle giunzioni
aderenti:
– N-caderina, presente sia
nelle cellule staminali
ematopoietiche, che
neurali;
– E-caderina, presente
nelle cellule staminali
epiteliali, ma anche nella
ICM;
– Β-catenina, implicata sia
nelle giunzioni aderenti,
che nella via di Wnt.
Plasticità delle ASC
• Molte ASC posseggono un’ampia “potenza” di
sviluppo e differenziamento (plasticità).
• Tale plasticità è influenzata da fattori estrinseci.
• La plasticità può essere “intragerm layer” o
travalicare i confini dei foglietti germinali.
• Le più plastiche sono le MSC, ma anche le NSC
sono capaci di conversione“transgerm layer”.
Plasticità delle ASC
Possibili meccanismi
di plasticità
•Presenza nel tessuto di SC con
diversa potenzialità;
•Fusione tra SC e cellule del tessuto;
•Transdifferenziamento,
sdifferenziamento-redifferenziamento;
•Presenza di cellule pluripotenti nei
tessuti adulti.
CELLULE STAMINALI
NEURALI
Il tessuto del sistema nervoso maturo è stato per lungo tempo
considerato incapace di rinnovarsi e rimodellarsi, soprattutto nei
mammiferi. Fino a non molto tempo fa si pensava che la genesi di
neuroni e glia nel sistema nervoso centrale maturo terminasse
precocemente, nel periodo postnatale
Il cervello dei mammiferi si sviluppa come tubo neurale contenente una cavità
ventricolare riempita di fluido cerebrospinale. I precursori neurali proliferanti
risiedono inizialmente nello strato di cellule luminali (zona ventricolare, VZ); in
seguito, man mano che lo sviluppo procede, essi si ritrovano nella zona
subventricolare (SVZ) che si forma immediatamente vicino. La VZ scompare
gradualmente, sopravvivendo nell’adulto come un monostrato di cellule
continue che delineano le cavità ventricolari (strato ependimale, EL) .
La SVZ persiste nei mammiferi neonati ed adulti come uno strato
mitoticamente attivo, adiacente alla zona ependimale che circonda i
ventricoli laterali del cervello; da molto tempo si ipotizza che tale
zona possa dare origine a cellule gliali nel cervello postnatale ed
adulto .
GENESI DI NUOVE CELLULE NEL SNC POSTNATALE E ADULTO
UNA PROTRATTA NEUROGENESI CARATTERIZZA ALCUNE REGIONI DEL
CERVELLO DEI MAMMIFERI DURANTE IL PERIODO POSTNATALE
(CELLULE DELLO STRATO GRANULARE ESTERNO DEL CERVELLETTO).
NEL SNC ADULTO UNA PERSISTENTE NEUROGENESI APPARE
RISTRETTA IN TRE SITI:
NEUROEPITELIO OLFATTIVO
BULBO OLFATTIVO
IPPOCAMPO
AREE NEOCORTICALI ASSOCIATIVE (PREFRONTALE, TEMPORALE
INFERIORE, PRIETALE POSTERIORE), SOLO NEI PRIMATI
FATTORI DI CRESCITA
Gli stessi fattori di crescita che regolano lo sviluppo dei
precursori embrionali potrebbero controllare la
proliferazione dei progenitori nel SNC maturo. Per esempio,
il fattore di crescita epidermico (EGF) stimola la
proliferazione di cellule multipotenti sia nel SNC embrionale
sia nel SNC adulto.
Anche il fattore di crescita fibroblastico basico (bFGF)
stimola la proliferazione di vari precursori embrionali
neurali. Recentemente, è stato osservato che cellule
staminali isolate dallo striato adulto di topo e coltivate in
vitro, generano precursori che proliferano quando esposti al
bFGF
Neurospheres grown in EGF and bFGF and stained for nestin (B)
Differenziamento in vitro di neurosfere in neuroni (A,B,D,E) astrociti
(B,F) oligodendrociti (G, H)
E’ importante sottolineare che non tutte le cellule di una
neurosfera sono cellule staminali; infatti solo una piccola
percentuale di esse conserva la staminalità mentre le
restanti cellule vanno incontro a differenziamento
spontaneo.
Una neurosfera è quindi un miscuglio di cellule staminali,
progenitori e cellule differenziate
Questo è il motivo per cui le neurosfere vengono
subcoltivate mediante raccolta e dissociazione meccanica e
quindi riseminate nelle medesime condizioni di coltura.
A cluster of neural cells were derived from human embryonic stem cells. The motor
neurons are shown in red; neural fibers appear green and the blue specks indicate DNA
in cell nuclei.
POTENZIALITA’ TERAPEUTICHE DELLE NSC
E’ stato dimostrato che le cellule staminali neurali
riconoscono e migrano verso i tumori cerebrali.
Questa abilità migratoria le rende vettori ideali per
veicolare farmaci a livello della zona tumorale.
Studi condotti su topi, utilizzando questo approccio
sperimentale, hanno dimostrato una riduzione
della massa tumorale dell’80%.
Queste scoperte appaiono particolarmente
interessanti perché aprono nuove possibilità
terapeutiche nella lotta ai tumori maligni cerebrali
le cui cellule appaiono altamente aggressive e
invasive.
La cellula staminale tumorale (TSC)
Tumori cerebrali e cellule staminali
Tumori cerebrali e cellule staminali
Terapie antitumorali e TSC
Applicazioni terapeutiche delle SC
• Rivascolarizzazione organi ischemici
• Malattie neurodegenerative
• Invecchiamento
• Infarto del miocardio
• Malattia coronarica
• Distrofia muscolare
• Diabete di tipo 1
• Terapie geniche (malattie del sangue)
Terapie staminali: il futuro
Supporto inerte
Cellule
Cellule staminali
staminali epidermiche
epidermiche
Seminato con fibroblasti
Espansione delle cellule
staminali
Trapianto in vivo
Midollo osseo
Cellule staminali ossee
Espansione delle cellule staminali
Adesione a particelle di
idrossiapatite/fosfatotricalcico
Trapianto in vivo
Ricerca di base ed applicata
La comprensione dei meccanismi che regolano la persistenza
delle ASC, il self renewal, le proprietà di migrazione e la scelta
tra diversi programmi di differenziamento è essenziale affinché
queste cellule possano essere usate in sicurezza per
applicazioni terapeutiche.
Considerazioni etiche e sociali sull’uso di
hESC
• Consenso informato per chi dona gli oociti
• Uso di embrioni congelati (derivanti da IVF)
• La blastocisti è già un essere umano?
• L’utilizzo terapeutico può incidere sul giudizio etico?
• Produzione di “embrioni” mediante clonazione terapeutica
• Cellule staminali “clonate” possono costituire una terapia
realistica? Solo per pazienti ricchi?
• Farmaci immunosoppressori o cellule staminali
geneticamente modificate.
Glossario