La cellula staminale

Una cellula in grado di autorinnovarsi e

di differenziarsi

Viene mantenuta la

riserva

Cellule staminali

• Malattie fino ad oggi incurabili, per le quali si può prospettare un terapia con cellule staminali:

• Sclerosi laterale amiotrofica (ALS), morbo di Parkinson, morbo di Altzheimer

• Infarto miocardico

• Cirrosi epatica

• Diabete

• ….

Cellule staminali

• In base all’origine vengono classificate in

• Embrionali (ESC)

• Somatiche Adulte (ASC)

Marcatori di cellule staminali

Cellule staminali dell’adulto

• Presenti soprattutto nei tessuti a ricambio fisiologico: epiteli e sangue

• Trovate anche in altri tessuti a ricambio limitato: muscolo scheletrico (cellule satelliti)

• Recentemente evidenziate, anche se molto limitatamente, in tessuti una volta considerati “perenni”: nervoso e miocardio

La cellula emopoietica staminale

CFU = Colony Forming Unit

Il neurone olfattivo (ZSV) è una cellula con potenziale staminale

Cellule staminali nel cervello adulto

• Si trovano in due zone:

• Zona sottoventricolare dei ventricoli laterali (dove originano i neuroni olfattivi)

• Zona sottogranulare del giro dentato (integrate con ippocampo)

• Aumentano di numero in caso di danno di organo (exp: neuroni neocorticali che proiettano al talamo). Origine?

Cellule staminali nel miocardio adulto

c-kit+ MDR+ Sca1+

In seguito a danno d’organo proliferano (K67+, telomerasi+) e poi si differenziano, acquisendo l’espressione di marcatori miocardio-specifici (GATA4, MEF-2c, alpha-cardiac MHC, laminina)

Urbanek et al., Proc. Natl. Acad.Sci. USA, 2003

Cellule staminali dell’adulto

• Tessuti diversi ne contengono livelli diversi

• Queste cellule staminali hanno generalmente una potenzialità limitata al tipo cellulare maturo che compone il tessuto/organo

il microambiente (nicchia) dà indicazioni sul destino della cellula staminale

Le cellule del midollo osseo hanno maggiori potenzialità

• Cellule staminali emopoietiche

• Cellule staminali/progenitori endoteliali

• Cellule staminali mesenchimali

• Cellule progenitrici multipotenti adulte (MAPC)

Bone Marrow = as complex as a forest ecosystem Nature, 20 may 2005

Cellule mesenchimali staminali (MSC) riparano il cuore infartuato

Sussman, Nature 5 aprile 2001

Plasticità delle cellule staminali

• capacità di una cellula staminale tessuto-specifica di dare origine a cellule di linee eterologhe superando i confini linea-specifici.

• Questa proprietà si chiama anche

concetto di TRANSDIFFERENZIAZIONE

Potenziali meccanismi per spiegare la plasticità delle cellule staminali adulte

Wager & Weissman, Cell, 2004, 116:639-648

Sorgente cellula donatrice

Tessuto bersaglio Referenze

Midollo osseo Muscolo scheletricoMuscolo cardiacoFegatoCellule endotelialiCervello

Ferrari et al., 1998Bittner et al., 1999Petersen et al., 1999Shi et al., 1998Mezey et al., Brazelton et al., 2000.

Muscolo scheletrico Midollo osseo Jackson et al., 1999

Cellula nervosa staminale

SangueMuscolo scheletricoTessuti embrionali

Bjornson et al., 1999Galli et al., 2000Clarke et al., 2000

Cellula emopoietica staminale/arricchita

Muscolo scheletricoMuscolo cardiacoCellule endoteliali EpatocitiTessuti embrionali

Gussoni et al., 1999Orlic et al., 2001Jackson et al., 2001Lagasse et al., 2000Krause et al., 2001

Plasticità delle cellule staminali

È una questione di ecosistema

• Il microambiente in cui si trovano le cellule, sia in vitro che in vivo, influenzerà il destino delle stesse

Nature, 20 may 2005

STRATEGIA

• Espandere in vitro la popolazione cellulare

• Fornire il microambiente (tridimensionale) appropriato che dia segnali per i passaggi successivi (differenziamento voluto)

• nicchia come microambiente

• Interazioni cosiddette “ecologiche” sono centrali alla biologia della cellula staminale

Altri tessuti con potenziale staminale

• Cordone ombelicale

• Tessuto adiposo epitelio, osso, tess nervoso, emopoietico, endotelio

Cellule staminali embrionali

Cellule staminali embrionali

Cellule staminali in vitro

• Prima le cellule vengono espanse in vitro• Poi vengono “educate” con opportuni

stimoli/segnali ad intraprendere la direzione differenziativa voluta

• Ricapitolare i cambiamenti del microambiente,

che caratterizzano il lungo transito

da cellula embrionale a tessuto adulto.

Strategia

Differenziamento delle cellule staminali

Cellule staminali embrionali (problemi)

• Potrebbero diventare tumorali

• Qualora dovessero essere trapiantate, potrebbero essere rigettate, perché non compatibili con il ricevente

Clonazione terapeutica

• procedimento che prevede la generazione di cellule staminali pluripotenti derivate dal paziente, la loro espansione in coltura, differenziazione nell’istotipo necessario e trapianto.

• prevede il trasferimento del nucleo di una cellula somatica matura in un oocita

Terapia con cellule staminali umane

Korean Team Speeds Up CreationOf Cloned Human Stem Cells

Nine of the 11 cell lines are derived from people, ranging in age from 10 to 56, who have suffered spinal cord injuries.

another ES cell line, derived from a 6-year-old type 1 diabetes patient,

another one from a patient with hypogammaglobulinemia

Science, 20 may 2005

Queste ricerche sono state recentemente smentite

Clonazione riproduttiva

Nature, 23 luglio 1998

Cumulina con al madre nutrice, la pecora Dolly, gatto, cane, ..

 Currently Available Methods to Generate Pluripotent Stem Cells

Pros and Cons of Current Available Methods to Generate Pluripotent Stem Cells from Adult Cells

requirement Report in Chromosome

of Embryos human content

Nuclear Transfer Yes NO NORMAL DIPLOID

NO GENE TRANSFER

Fusion with ES YES YES TETRAPLOID

iPS NO YES Retroviral Integration

MAPC NO YES NORMAL DIPLOID

NO GENE TRANSFER

mGS NO NO NORMAL DIPLOID

NO GENE TRANSFER

Putative Roles of the Four Factors in the Induction of iPS Cells (Pluripotent Stem Cells)

• Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors.

• Takahashi K, Yamanaka S.

• Cell. 2006 Aug 25;126(4):663-76. Epub 2006 Aug 10.

• Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors.

• Takahashi K, Tanabe K, Ohnuki M, Narita M, Ichisaka T, Tomoda K, Yamanaka S.

• Cell. 2007 Nov 30;131(5):861-72.

• Generation of induced pluripotent stem cells without Myc from mouse and human fibroblasts.

• Nakagawa M, Koyanagi M, Tanabe K, Takahashi K, Ichisaka T, Aoi T, Okita K, Mochiduki Y, Takizawa N, Yamanaka S.

• Nat Biotechnol. 2008 Jan;26(1):101-6. Epub 2007 Nov 30

Cio' che era riuscito per la prima volta all'equipe di Shinya Yamanaka con cellule animali, nel novembre 2007 fu possibile trasferirlo su cellule umane e passo passo migliorare ancora.