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Introducing stem cells
Stem cell biology basics
A life story…
What is a stem cell?
stem cell
SELF-RENEWAL
(copying)
stem cell
DIFFERENTIATION
(specializing)
specialized cell
e.g. muscle cell, nerve cell
What is a stem cell?
Stem cell
SELF-RENEWAL
(copying)
Identical stem cells
Stem cell
DIFFERENTIATION
(specializing)
Specialized cells
Divisioni cellulari simmetriche e asimmetriche
Why self-renew AND differentiate?
1 stem cell
1 stem cell
Self renewal - maintains
the stem cell pool
4 specialized cells
Differentiation - replaces dead or damaged
cells throughout your life
Where are stem cells found?
embryonic stem cells
blastocyst - a very early
embryo
tissue stem cells
fetus, baby and throughout life
Types of stem cell:
1) Embryonic stem cells
Embryonic stem (ES) cells:
Where we find them
blastocyst
cells inside
= ‘inner cell mass’
embryonic stem cells taken from
the inner cell mass
outer layer of cells
= ‘trophectoderm’
fluid with nutrients
culture in the lab
to grow more cells
Embryonic stem (ES) cells:
What they can do
differentiation
embryonic stem cells
PLURIPOTENT
all possible types of specialized cells
Embryonic stem (ES) cells:
Challenges
skin
neurons
embryonic stem cells
blood
?
liver
Cellule staminali embrionali
(ESC)
Cellule staminali pluripotenti umane
(ESC, EGC,ECC)
ESC
EGC
ECC
Types of stem cell:
2) Tissue stem cells
Tissue stem cells:
Where we find them
surface of the eye
skin
testicles
brain
breast
intestines (gut)
bone marrow
muscles
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.
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.
Tissue stem cells:
What they can do
blood stem cell
differentiation
found in
bone marrow
MULTIPOTENT
only specialized types of blood cell:
red blood cells, white blood cells,
platelets
Stem cell jargon
Potency
A measure of how many types of specialized cell a stem cell
can make
Pluripotent
Can make all types of specialized cells in the body
Embryonic stem cells are pluripotent
Multipotent Can make multiple types of specialized cells, but not all types
Tissue stem cells are multipotent
Stem cell biology in more detail
Tissue stem cell types
and hierarchies
Tissue stem cells:
Principles of renewing tissues
Stem cell
stem cell:
- self renew
- divide rarely
- high potency
- rare
committed progenitors:
- “transient amplifying cells”
- multipotent
- divide rapidly
- no self-renewal
specialized cells:
- work
- no division
Tissue stem cells:
Haematopoietic stem cells (HSCs)
NK cell
T cell
B cell
dendritic cell
megakaryocyte
HSC
platelets
erythrocytes
macrophage
neutrophil
bone marrow
eosinophil
basophil
committed progenitors
specialized cells
Tissue stem cells:
Neural stem cells (NSCs)
Neurons
Interneurons
Oligodendrocytes
NSC
Type 2 Astrocytes
Type 1 Astrocytes
brain
committed progenitors
specialized cells
Tissue stem cells:
Gut stem cells (GSCs)
Paneth cells
Goblet cells
GSC
Endocrine cells
Columnar cells
Small intestine
committed progenitors
specialized cells
Tissue stem cells:
Mesenchymal stem cells (MSCs)
Bone (osteoblasts)
Cartilage (chondrocytes)
MSC
bone marrow
Fat (adipocytes)
committed progenitors
specialized cells
Stem cells at home:
The stem cell niche
Stem cell niches
Niche
stem cell
Microenvironment around stem cells that provides
support and signals regulating self-renewal and
differentiation
Direct contact
Soluble factors
niche
Intermediate cell
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.
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.
i
n
Glossario