CELLULE STAMINALI Gigliola Sica Direttore dellIstituto di Istologia ed Embriologia della Facoltà di...
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CELLULE CELLULE STAMINALISTAMINALI
Gigliola SicaGigliola Sica
Direttore dell’Istituto di Istologia ed EmbriologiaDirettore dell’Istituto di Istologia ed Embriologia
della Facoltà di Medicina e Chirurgiadella Facoltà di Medicina e Chirurgia
Università Cattolica del Sacro Cuore Università Cattolica del Sacro Cuore
Roma, Italia.Roma, Italia.
Cellule staminaliCellule staminali
L’aggettivo “staminale” deriva dal latino
“stamen” (stame) che significa letteralmente
“ordito del telaio – filo”.
In botanica lo stame è il filamento la cui parte
terminale contiene il polline.
Il greco “stemon” riconduce alla radice di
“stare” nel senso di “essere ritto”.
L’inglese “stem” indica la parte
principale di una pianta, che ne
costituisce l’asse portante che
supporta foglie, fiori e frutti.
L’aggettivo “staminale” sta a
significare, pertanto,
“ancestrale”, che precede, nel
caso specifico delle cellule, altri
elementi cellulari.
Le cellule staminali sono elementi provvisti di
due caratteristiche principalidue caratteristiche principali:
1) la capacità di autorinnovamento illimitato o
prolungato e cioè di riprodursi senza
differenziarsi;
2) la capacità di dare origine a cellule
progenitrici di transizione con attitudine
proliferativa limitata, dalle quali discendono
popolazioni di cellule altamente differenziate.
Le cellule staminalicellule staminali e quelle
progenitrici progenitrici specifiche sono
morfologicamente e
citochimicamente indistinguibili.
Sono cellule rotonde, con una sottile
rima di citoplasma basofilo e nucleo
con 2 o più nucleoli.
Le cellule staminali possono
essere distinte da quelle
progenitrici sulla base dei livelli
di espressione di alcuni geni e di
alcune proteine.
Nel corso della differenziazione la progenie
delle cellule progenitrici di alcune linee
cellulari procede attraverso una serie di
fasi intermedie morfologicamente
distinguibili in base alle dimensioni, alla
configurazione nucleare, alle proprietà
tintoriali e alla presenza o assenza di
granulazioni citoplasmatiche.
Cellule staminaliCellule staminali
2) embrioni ottenuti inserendo il nucleo di una
cellula
adulta in una cellula uovo, privata del suo
nucleo;3) organi di un feto abortito;
4) cordone ombelicale;
6) tessuti adulti.
Sorgenti:1) embrioni nei primi stadi dello sviluppo ottenuti mediante fecondazione in vitro a scopi riproduttivi o specificamente per la ricerca;
5) liquido amniotico;
Le cellule staminalicellule staminali sono
caratteristiche degli embrioni, ma
sono presenti anche negli organi
di individui adulti in piccola
quantità.
Le cellule stcellule staminali embrionaliaminali embrionali possono
derivare:
a) dalle cellule germinative primordiali, che
alla fine si differenziano in spermatozoi e
ovociti.
b) dalla blastocisti.
La preparazionepreparazione di cellule staminali embrionali umane implica:
2) il loro sviluppo fino allo stadio di blastocisti;
1) la produzione di embrioni umani e/o l’utilizzazione
di quelli soprannumerari da fecondazione in vitro o crioconservati;
3) il prelievo della massa cellulare interna, il che implica la distruzione dell’embrione.
5) ripetuti passaggi, fino alla formazione di linee
cellulari capaci di moltiplicarsi, conservando
le
caratteristiche delle cellule staminali.
4) la messa in coltura di tali cellule su uno strato
di
fibroblasti irradiati (feeder layer) e in un
terreno
di coltura adatto, dove esse si moltiplicano
fino alla formazione di colonie che poi
confluiscono;
Questo è, tuttavia, solo il punto di
partenza per la preparazione di linee
cellulari differenziate, ossia di cellule le
quali possiedono le caratteristiche che
assumono nei diversi tessuti, es.
muscolari, nervose, ematiche, etc.
Lo step successivo è l’orientamento in
coltura del differenziamento, mediante
fattori di crescita. Questa operazione non
è facile, visto che non conosciamo
completamente i meccanismi
che lo sottendono.
"Human embryonic stem cells that are becoming epithelial cells, as indicated by the presence of a protein called cytokeratin (in green). The nuclei are stained blue." From: Growing Stem Cells (Genome News Network) Research by Daniel G Anderson, Shulamit Levenberg & Robert Langer at the Massachusetts Institute of Technology.
Per quel che riguarda le cellule ottenute
da feti abortiti, il loro uso equivarrebbe a
quello di organi prelevati da cadavere.
Le cellule così ottenute non hanno fornito
dati conclusivi sulla loro capacità di dare
vita a diversi tessuti.
Le cellule staminali ottenute dai vasi del
cordone ombelicale permetterebbero
teoricamente di creare banche
personalizzate per ciascun neonato, una
riserva biologica da utilizzare anche a
distanza di tempo per curare malattie. Ad
oggi queste cellule hanno dato origine solo
a cellule del sangue; non è dimostrata la
capacità di dare vita ad
altri tessuti.
Prelievo di cellule staminali da cordone ombelicale
Caratteristiche delle cellule staminali Caratteristiche delle cellule staminali ottenute dal liquido amnioticoottenute dal liquido amniotico
Clonal human AFS cells have a normal karyotype and retain long telomeres.(a) Giemsa band karyogram showing chromosomes of late passage (>250 p.d.) cells. (b) Flow cytometry of late passage cells showing DNA stained with propidium iodide. G1 and G2/M indicate 2n and 4n cellular DNA content, respectively. S indicates cells undergoing DNA synthesis, intermediate in DNA content between 2n and 4n. (c) Conserved telomere length of AFS cells between early passage (20 p.d., lane 3) and late passage (250 p.d., lane 4). Short length (lane 1) and high length (lane 2) telomere standards are provided in the assay kit. Marker lengths are indicated. p.d., population doubling.
Nature Biotechnology - 25, 100 - 106 (2007).
In molti tessuti sono presenti cellule
staminali capaci, sostanzialmente, di dare
origine solo a cellule del tessuto da cui
provengono.
Tuttavia, in vari tessuti umani (midollo
osseo, cervello, mesenchima) si trovano
cellule staminali pluripotenti capaci di dare
origine a più tipi di cellule, in maggioranza
ematiche,
muscolari e nervose.
Cellule staminali adulteCellule staminali adulte
Nel midollo le cellule staminali da cui
derivano le varie linee di cellule
ematiche, che hanno come marcatore
il CD34, ove purificate, possono
ricostituire l’intera popolazione
ematica in pazienti trattati con
chemioterapia o radioterapia.
Le cellule emopoietiche pluripotenti
corrispondono a meno dello 0,2% della
popolazione totale delle cellule nucleate del
midollo.
La maggior parte di esse è in fase quiescente
e riprende a dividersi solo in risposta a
richieste di nuove cellule sanguigne.
Cellule staminali emopoieticheCellule staminali emopoietiche
Le cellule germinative primordialicellule germinative primordiali danno
origine agli spermatogoni che sono di
due tipi:
A, che si dividono per mitosi e
forniscono una riserva continua di
cellule staminali;
B, che danno origine agli spermatociti
primari.
Alcune cellule di tipo A abbandonano la
popolazione di cellule staminali e danno
origine a generazioni successive di
spermatogoni, progressivamente più
differenziate.
Al termine dell’ultima divisione delle
cellule A si formano gli spermatogoni di
tipo B e da essi derivano gli spermatociti
primari.
Fra le cellule del colletto delle ghiandole
gastriche è presente un modesto numero di
cellule staminali che governano il
rinnovamento continuo della mucosa.
Esse migrano verso l’alto per rimpiazzare le
cellule mucose superficiali e verso il basso
per formare cellule ossintiche e cellule
principali.
L’epitelio cilindrico pseudostratificato
ciliato dell’apparato respiratorio
presenta cellule basali. Sono
considerate cellule staminali destinate
a rimpiazzare le cellule ciliate e le
cellule caliciformi.
Il tessuto adiposo rappresenta una
ulteriore fonte di cellule staminali
che possono dar vita a cellule ossee
e muscolari.
Cellule staminali sono presenti nel
tessuto nervoso dei mammiferi in
via di sviluppo e nel sistema
nervoso dei mammiferi adulti,
incluso l’uomo.
Le cellule staminali ottenute dal
tessuto nervoso fetale e dal tessuto
nervoso adulto del topo, del ratto o
anche dell’uomo crescono bene in
coltura e, quando introdotte
nell’encefalo di animali da
esperimento, mostrano capacità di
migrazione e sostituzione di
aree danneggiate.
Neoregulina e proteina 2
osteomorfogena guidano lo
sviluppo di cellule staminali
nervose neuroni e glia o cellule
muscolari lisce.
L’impiego di cellule staminali pone,
tra gli altri, il problema della
tumorigenicità e quello della
incompatibilità immunologica.
Per superare il problema della
incompatibilità immunologica si è
arrivati alla clonazione terapeutica.
Il termine “clone” indica la produzione
di copie tutte uguali di una cellula o di
un tratto di DNA.
La locuzione “clonazione terapeutica”
indica il potenziale uso della tecnica
del trasferimento nucleare per
ottenere cellule, tessuti ed organi per
pazienti che necessitino della
sostituzione di un tessuto o di un
organo
malato o danneggiato.
Sono state proposte tre vie di
clonazione terapeutica, atte ad
ottenere cellule staminali umane
pluripotenti con una ben definita
informazione genetica, cui far seguire
la differenziazione desiderata:
1) trasferimento del nucleo di una cellula
somatica umana in un ovocita umano privato del
proprio nucleo, seguito dallo sviluppo embrionale
(blastocisti); prelievo della massa cellulare interna
e derivazione da questa delle cellule staminali e
quindi delle cellule differenziate desiderate;
2) trasferimento del nucleo di una cellula somatica
umana in un ovocita di altro animale;
3) riprogrammazione del nucleo di una
cellula somatica fondendolo con il citoplasma
di una cellula staminale embrionale.
Dati recentissimi della letteratura
(Letters di Nature on line) riportano
i risultati di esperimenti effettuati
nel topo per ottenere cellule
staminali embrionali mediante
nuclear transfer con delle
modifiche rispetto a quanto
illustrato precedentemente.
Questi lavori avrebbero lo scopo di
conciliare gli interessi scientifici e le
istanze etiche nella speranza di
generare anche un ampio
consenso sociale.
a) Alterazione del nucleo del donatore
per ottenere una blastocisti incapace
di impiantarsi in utero ma capace di
generare cellule staminali embrionali;
b) derivazione di cellule staminali da
un singolo blastomero di un embrione
allo stadio di 8 cellule senza alterare
lo sviluppo dell’embrione stesso.
a, b, Clump of GFP-positive mES
cells 48 h after aggregation with
single blastomeres; arrow shows a
protruding cluster of GFP-negative
cells. c, d, Outgrowth of GFP-
negative cells aggregated with GFP-
positive mES cells, after being plated
on MEFs; arrows point to GFP-
negative cells. e, f, Passage 1 of the
outgrowth; arrows show remaining
GFP-positive mES cells. g, h, Single
blastomere outgrowth on MEFs for 4
days without ES cells, stained with
Troma-1 and DAPI. a, c, e, Green
fluorescence; b, Hoffman modulation
optics; d, f, phase contrast. Scale
bar, 100 m.
PARADIGMA STANDARD DELLA PARADIGMA STANDARD DELLA
DIFFERENZIAZIONEDIFFERENZIAZIONE
Il differenziamentodifferenziamento è la comparsa di
differenze morfologiche, biochimiche e
funzionali tra le cellule. Alcune di
queste differenze sono visibili con
comuni mezzi di osservazione
(microscopio).
La comparsa di differenze visibili è
preceduta da quella di differenze invisibili
con le tecniche tradizionali
(determinazionedeterminazione).
Per ogni tipo di cellula è possibile
individuare un periodo critico prima del
quale le cellule possono cambiare il loro
destino, ma dopo il quale esse sono
determinate a differenziarsi in un certo
modo.
La determinazionedeterminazione implica anche il
concetto di memoria cellulare: le
cellule si ricordano di ciò che è
avvenuto nel periodo della
determinazione e rispondono agli
stimoli ambientali non solo in base al
loro patrimonio genetico, ma anche in
base alla loro storia.
Il differenziamentodifferenziamento può essere
indipendente (determinanti
citoplasmatici) o dipendente
induzione.
Le sostanze induttrici naturali sono
molecole specifiche come i fattori di
crescita trasformanti (TGF-o la
famiglia dei fattori di crescita dei
fibroblasti (FGF).
Il differenziamentodifferenziamento si verifica
sostanzialmente nel corso dello sviluppo
embrionale.
Tuttavia, esso si continua nel normale
turnover cellulare e nei processi riparativi.
Complesse interazioni si estrinsecano
tra le cellule adiacenti.
Le cellule vanno incontro a una graduale
restrizione del potenziale differenziativo.
Lo sviluppo è accompagnato da una gerarchia di
processi di differenziamento che va dalla
formazione dei 3 foglietti germinativi alla
produzione nell’uomo di oltre 200 tipi di
cellule diverse.Durante lo sviluppo si osservano peraltro
numerosi cambiamenti di forma che avvengono
attraverso migrazioni, ripiegamenti, tubulazioni,
invaginazioni, collettivamente noti con il
termine morfogenesi.
Nella proliferazione e nel
differenziamento cellulare sono
coinvolti diversi fattori di crescita:
EGF, TGFs, FGFs, fattore BIG,
interleuchine, sostanza morfogenetica
dell’osso, etc.
Nel differenziamento degli arti sono
anche implicati i fattori Wnt, che a
loro volta inducono l’espressione di
alcuni geni della famiglia Lim.
L’acquisizione delle caratteristiche del
blastema metanefrico richiede
l’espressione del gene per il fattore di
trascrizione chiamato WT1. La crescita
del blastema richiede l’espressione del
gene per il fattore di trascrizione
chiamato c-ret.
Mutazioni di WT1Mutazioni di WT1 danno origine ad
anomalie dello sviluppo del rene,
dell’apparato genitale e a
tumori renali dell’infanzia.
Questi tumori (di Wilms) sono rari
(8/1.000.000 di individui).
Per la differenziazione del nefrone
e la formazione del glomerulo sono
importanti: Mox 1, n-myc, Pax 2,
Hoxc-9.
La decisione di una cellula dello strato
germinativo di rimanere a far parte del
contingente delle cellule che proliferano o di
spostarsi nello strato spinoso e proseguire
nel differenziamento dipende da un
gran numero di fattori:
EGF, TGFs, HGF, calcio, acido retinoico,
fattore BIG (ligando del recettore ECK),
IL-1, IL-6.
Eccessivi livelli di questi fattori possono
causare disordini proliferativi
dell’epidermide: TGF- psoriasi.
Il differenziamento è talvolta legato a
induzioni interattive specifiche che si
esercitano tra gemme di
organi differenti.
Il differenziamento non spiega però tutto
quello che accade: si originano delle
diversità dovute esclusivamente al fatto
che gli stessi tipi di cellule vanno a disporsi
nello spazio in maniera diversa.
Esiste dunque il problema
dell’organizzazione spaziale (pattern).
In realtà, le cellule ricevono due tipi di
informazioni diverse:
1) destino istologico
2) destino spaziale (geni del pattern)
Il patternpattern è il progetto architettonico
dell’individuo, mentre la morfogenesimorfogenesi è
l’insieme dei processi che realizzano il
progetto.
Geni omeoticiGeni omeotici: controllano il piano di
formazione del corpo.
Omeogeni sono stati scoperti anche nei
vertebrati: essi sono riconoscibili dalla
presenza dell’omeobox, sequenza di 183
nucleotidi contenuta nei geni.
Esiste una certa proprietà di
correzione dalle deviazioni
(regolazione) e si pensa che
l’embrione sia diviso in aree
organogenetiche o campi
morfogenetici.
Totipotenza del germe
Possibilità di formare sia i tessuti embrionali
che quelli extraembrionali (persa allo stadio di
8 blastomeri).
Totipotenza embrionale
Capacità di formare tutti i tessuti dell’embrione
rimane più a lungo; è presente allo stadio di
blastocisti.
Gemelli monozigoti: 1/3 totale
1/3 ha 2 placente (bicoriali),la separazione è avvenuta precocemente
quando entrambi i gruppi avevano la capacità di formare il trofoblasto (primi 3 giorni);
gli altri 2/3 hanno una placenta sola (monocoriali).
La grande maggioranza ha due amnios.
Una piccola minoranza (1-2%) dei gemelli identici ha un solo amnios.
La separazione è avvenuta dopo la formazione dell’amnios: II settimana dello
sviluppo.
Quanto esposto a proposito delle cellule Quanto esposto a proposito delle cellule
staminali tende a modificare il staminali tende a modificare il
paradigma standard della paradigma standard della
differenziazione !differenziazione !
Si mira allaSi mira alla
TRANSDIFFERENZIAZIONE !TRANSDIFFERENZIAZIONE !
The hepatocyte-to-beta cell transdifferentiation paradigm The hepatocyte-to-beta cell transdifferentiation paradigm
Date le proprietà delle cellule staminali
è ovvio che esse siano importanti
durante lo sviluppo e il mantenimento
dell’omeostasi dell’organismo.
Due fenomeni biologici significativi
coinvolgono le cellule staminali:
1. L’invecchiamento
2. Il cancro
In condizioni fisiologiche le
cellule staminali presiedono al
rinnovamento cellulare e,
quando la capacità replicativa
tende ad esaurirsi, il tessuto
invecchia.
A causa della lunga vita e della
loro storia replicativa le cellule
staminali sono soggette a danni
indotti da fattori intra- o
extra-cellulari.
Alcuni errori dovuti alla
duplicazione del DNA possono
essere riparati, ma, a lungo
andare, i meccanismi di
riparazione possono rivelarsi
inefficaci.
Modelli di Tumorigenesi:Modelli di Tumorigenesi:
a) Modello semplificato a partire dalla
cellula staminale:
sviluppo tumorale clonale unidirezionalesviluppo tumorale clonale unidirezionale.
Tutte le cellule tumorali derivano dalla
cellula staminale e contengono mutazioni
riscontrabili in questa cellula.
Modelli di Tumorigenesi:Modelli di Tumorigenesi:
b) Modello di differenziazione dinamica:
sviluppo tumorale clonale multidirezionale.sviluppo tumorale clonale multidirezionale.
Anche in questo caso si trovano mutazioni
nella cellula staminale, ma il
differenziamento può estrinsecarsi in forme
diverse e le cellule possono andare incontro
ad una fluttuazione lungo la via
differenziativa riesprimendo le caratteristiche
delle cellule progenitrici.
c) Modello di reclutamento:
sviluppo tumorale non clonale multidirezionalesviluppo tumorale non clonale multidirezionale.
Il tumore, non solo contiene cellule staminali
mutate, ma recluta anche cellule normali che
sono necessarie al suo stesso sviluppo. Le
cellule reclutate possono avere mutazioni
differenti da quelle espresse nelle cellule
staminali e possono essere ingaggiate a
differenti stadi della differenziazione del “cell
lineage” a cui appartengono.
Modelli di Tumorigenesi:Modelli di Tumorigenesi:
Stem cell model of mammary carcinogenesisStem cell model of mammary carcinogenesis
Si ringraziano le Dott.sse:
Cristiana Angelucci
Fortunata Iacopino
Silvia Ferracuti
Cecilia Giannitelli
Per la collaborazione offerta alla realizzazione di questa presentazione.