La Cellula E’ l’unità costitutiva della vita biologica (1665, R. Hooke)

100.000.000.000.000

E’ il numero di cellule nel nostro corpo

La Cellula Omnis cellula e cellula (1858, R. Virchow)

Organismo Multicellulare Crescita e specializzazione cellulare nel ‘Caenorhabditis elegans’

Da 1 cellula a 959 (1031 nel maschio) cellule

La Cellula Nasce, cresce, si riproduce e muore

25.000.000

Sono le cellule che nascono ogni secondo nel nostro corpo

10 anni

E’ il tempo che ci vuole per sostituire ‘quasi’ tutti gli atomi del nostro corpo

Le Cellule Staminali Stammzelle (1868, Ernst Haeckel)

Stammzelle (1868) 1868, Il termine cellula staminale compare per la prima volta nella letteratura scientifica

nel lavoro del biologo tedesco Ernst Haeckel che usa il termine ‘Stammzelle’ per indicare l’organismo unicellulare ancestrale da cui derivano tutti gli organismi multicellulari.

1877, Ernst Haeckel propone che l’uovo fertilizzato venga chiamato cellula staminale.

1892, Theodor Bovery e Valentine Hacker propongono che le cellule che si collocano, all’interno della linea germinativa, tra l’uovo fertilizzato e le cellule germinali già differenziate siano chiamate cellule staminali (oggi cellule staminali germinali).

1896, Artur Pappenheim (1896), Alexander Maximow (1908), Wera Danschakoff (1908), Ernst Neumann (1912) iniziano ad usare il termine cellula staminale per indicare il precursore comune di tutte le cellule del sangue.

1896, Edmund B. Wilson (1896) e Alexander Maximov (1909) sono spesso accreditati di aver coniato il termine ‘staminale’ ma in realtà hanno solo contribuito a renderlo noto alla comunità scientifica.

Cellule ‘bambine’, cioè cellule non specializzate, simil ‘immortali’ (sempreverdi)

Presenti negli organismi viventi nei differenti stadi di sviluppo (embrione, feto, adulto)

Capaci di auto-rinnovamento illimitato; cioè capaci di riprodursi a lungo senza specializzarsi

Capaci di trasformarsi in cellule destinate a dar vita a tessuti e organi (muscoli, cuore, fegato, ossa, cervello, etc.)

Embrione (8 cellule)

Blastocisti (ICM 200 cellule)

Cellule del sangue

Cellule muscolari

Cellule neurali

Midollo osseo

Muscolo

Cervello

Uovo fertilizzato (1 cellula)

Organismo adulto (1015 cellule)

Cellule Staminali Embrionali Cellule ‘immortali’ con potenziale di crescita e differenziamento illimitato (pluripotenti)

Follicolo pilifero (bulbo) Intestino (cripte) Midollo osseo

Ovaio (germinarium) Testicolo (apex) Cervello (SVZ)

Cellule Staminali Adulte Cellule ‘immortali’ con potenziale di crescita e differenziamento limitato (multipotenti)

Identificazione

Isolamento (embrione, feto, adulto)

Espansione (crescita) in vitro

Trapianto in vivo

Embryonic stem (ES) and induced pluripotent stem (iPSC) cells: intrinsic tumorigenic potential, undetermined differentiation potential. Somatic (fetal and adult) stem cells: limited growth potential

Muscle cells Blood cells Liver cells Neural cells Skin cells

Aborted foetuses

Umbilical cord

Fetal tissues

Cord blood

Brain

Bone Marrow

Adult cells

MULTIPOTENT Adult SCs

PLURIPOTENT ES-like cells

MULTIPOTENT Fetal SCs

Skin

Stem cells in culture

Endothelial cells

Aborted embryos

MULTIPOTENT Embryonic SCs

(Somatic Stem Cells)

Fat

Skin

Blood

iPSC

ICM

Embryos created by research

Supernumerary embryos from in vitro

fertilization

ES

Embryonic tissues

Rosso: tessuto nervoso Verde: cellula staminale

Il trapianto le staminali formano neuroni

Traumi Spinali

Ictus Cerebrale

Sclerosi Multipla

Morbo di Parkinson

Malattia di Huntington

Tumori Cerebrali (Glioma)

Sclerosi Laterale Amiotrofica

Malattie Genetiche della Mielina

Nat Neurosci. 2012

EMBRYONIC TISSUE

BONE MARROW

SKIN and FAT

TISSUE

NEURAL TISSUE

NEU

RO P

ROTE

CTIO

N

IMMUNOMODULATION

REMYELINATION and NEURONAL RESCUE

NEURAL STEM CELLS

MESENCHYMALSTEM CELLS

HEMATOPOIETIC STEM CELLS

Differentiation Plasticity Cell fusion Lineage reprogramming: • Transdetermination • Transdifferentiation

ES CELLS iPS CELLS

Therapeutic Plasticity Cell replacement Bystander effect: • Anti-inflammatory activity • Growth factor support

Nat Rev Neurol, 2010

B. Arnò

Gli Eterocarionti cellule plurinucleate con nuclei geneticamente diversi

Nat Cell Biol, 2004

• Sorgente cellulare – Embrionali (ES) vs. adulte

– Autologhe vs. eterologhe

• Preparazione in vitro delle cellule – Espansione a breve vs. lungo termine (sterilità)

– Stabilità del fenotipo cellularee

• Via di somministrazione – Intralesionale (danno focale)

– Sistemica (e.v., i.t.) (danno multifocale)

Trapianto di cellule staminali

iPSC da biopsia cutanea umana

Low O2 culture conditions ~ 8 x 106 cells initial plating

~ 160 x 106 cells harvesting

1 10 2 4

2x 2x 2x 2x 4x p1 p2 p3 p4

~ 6 x 108 cells/ 10 x 106 cells cryovial

MCB

1. Foetal tissue procurement

2. hfNPC isolation and first expansion

25 x 106 cells/5 ml (i.c.)

50 x 106 cells/5 ml (i.c.)

100 x 106 cells/5 ml (i.c.)

200 x 106 cells/5 ml (i.c.)

3. GMP scale-up culture of hfNPCs in CELL FACTORIES (stationary conditions)

Safety in vivo

Clinical trial approval Ethical Committee National Authority

* * * * * * * * * *

* * * * *

4

5. New GMP Expansion same as above

~ 6 x 108 cells Cell Therapy Product

6. Dose-escalating intrathecal hfNPC injection (phase I trial)

*

Tumor

Kidney

Is

Is

Is

PLoS ONE, 2010 140 120 100 80 60 40 20 0

Islet-Tx

Edmonton-Tx Rapamycin FK506 anti–IL-2Ra mAb

100

80

60

40

20

0

Tx s

urvi

val (

%)

Splenocytes re-challenge

** * *

*

*

Co-NPC-Tx NPC (1x103 per mouse) under the same kidney of the islets (350 per mouse)

NPC-Tx NPC (1x103 per mouse) under the controlateral kidney of the islets (350 per mouse)

Company (chief scientist)

Source of cells/route of delivery

Indication

Cost

Bangkok Heart Hospital, Bangkok, Thailand (Kit Arom, working with Amit Patel)

Autologous blood-derived stem cells injected into heart

Cardiac myopathy

$ 25,000

Chaoyang Hospital, Beijing, China (Hong-yun Huang)

Fetal olfactory ensheathing cells transplanted into brain or spine

Neurodegenerative diseases, spinal cord injury

$ 20,000

Hospital Egas Moniz, Lisbon, Portugal (Carlos Lima)

Autologous olfactory ensheathing cells transplanted into spine

Spinal cord injury $ 50,000

Beike Europe, Chongqing, Shenyang, Qingdao, Shenzhen and Zhengzhou, Cina (Wanzhang Bo Yang)

Umbilical cord stem cells, injected intrathecally or intravenously

Over 10 neurological diseases listed

$ 25,000 per treatment

Institute of Regenerative Medicine, St. John, Barbados (Yuliy V. Baltaytis)

Fetal cells injected intravenously Over 20 diseases listed $ 25,000 per treatment

Medra, Malibu, California, USA (clinic in the Dominican Republic) (William Rader)

Fetal cells injected subcutaneously or intravenously

Over 20 diseases listed $ 25,000 per treatment

NeuroVita Clinic, Moscow, Russia (Andrey S. Bryukhovetskiy)

Autologous neural and hematopoietic stem cells, often injected intrathecally

Neurological disorders and spinal cord injury

$ 9,000-50,000

PMC clinic, Rotterdam, Amsterdam, Geneve, and Kiel (Robert Trossel)

Umbilical cord stem cells, injected subcutaneously

Over 20 diseases listed $ 21,500 per treatment

Cells 4 health, Leuvenheim, The Netherlands (Cornelis H. Kleinbloesem) Steenblock Institute, San Clemente, California, Mexico (Fernando Ramirez)

Bone marrow stem cells, injected intrathecally or intravenously Umbilical cord stem cells, injected intravenously

Ischemic heart disease, spinal cord injury, stroke, vascular diseases Cerebral palsy, traumatic brain injury

$ 10,000 per treatment $ 30,000 per treatment

Sources: Nat. Biotech. 2005;23:1467-9, Institution or company web sites, LA Times, http://www.carecure.org/, http://www.stemcellschina.com/

I Viaggi della Speranza

• Fazel SS, et al. Mesenchymal stem cells engineered to overexpress stem cell factor improve cardiac function but have malignant potential. J Thorac Cardiovasc Surg 2008;136:1388-9

• Fiorina P, et al. Immunomodulatory function of bone marrow derived mesenchymal stem cells in experimental autoimmune type 1 diabetes. J Immunol 2009;183:993-1004

• Amariglio N, et al. Donor-derived brain tumor following neural stem cell transplantation in an ataxia telangiectasia patient. PLoS Med 2009;6:e1000029

• Melzi R, et al. Co-graft of allogeneic immune regulatory neural stem cells (NPC) and pancreatic islets mediates tolerance, while inducing NPC-derived tumors in mice. PLoS One 2010;5:e10357

• Thirabanjasak D, et al. Angiomyeloproliferative lesions following autologous stem cell therapy. J Am Soc Nephrol 2010;21:1218-22 • Grigoriadis N, et al. Variable behavior and complications of autologous bone marrow mesenchymal stem

cells transplanted in experimental autoimmune encephalomyelitis. Exp Neurol 2011;230:78-89 • Jeong JO, et al. Malignant tumor formation after transplantation of short-term cultured bone marrow

mesenchymal stem cells in experimental myocardial infarction and diabetic neuropathy. Circ Res 2011 [E-pub April 14].

• Alderazi YJ, et al. Catastrophic demyelinating encephalomyelitis after intrathecal and intravenous stem cell transplantation in a patient with multiple sclerosis. J Child Neurol 2011 [E-pub December 7]

Homotopic vs. Heterotopic

Brain, 2011

Le Regole della Scienza • Studi (trials) clinici (Avicenna, ‘Canone della Medicina’, 1025; Frederick Akbar Mahomed, ‘Collective Investigation Records’

BMA, 1864): • Tipo di ricerca condotto per raccogliere dati sulla sicurezza e sull'efficacia di nuovi farmaci o di nuovi dispositivi.

• Studi osservazionali: • Analitici od eziologici • Descrittivi

• Studi sperimentali: • Sul campo • Interventi di comunità • Controllati randomizzati (cieco, doppio cieco)

» Gli studi clinici controllati randomizzati (i.e. trials clinici) con nuovi farmaci sono normalmente classificati in 4 fasi:

» Fase I: sicurezza del farmaco

» Fase II: effetto del trattamento iniziale (IIa: valutare la quantità di farmaco necessaria; IIb: valutare come il farmaco lavora alla dose prescritta).

» Fase III: valutazione generale su un numero levato di pazienti (e.g. 300-3000), dopodiché potrà essere approvato dall'autorità nazionale per l'uso nella popolazione generale

» Fase IV: studi di sorveglianza post marketing

• Ogni fase del processo di approvazione del farmaco è trattato come uno studio clinico separato. • Il processo di sviluppo di un farmaco, normalmente dovrebbe procedere attraverso tutte le 4 fasi. • Se il farmaco passa con successo attraverso la fase I (sicurezza del farmaco),

• Le sperimentazioni si possono anche classificare in base al tempo (longitudinale, trasversale), a seconda del gruppo studiato (longitudinale prospettico o retrospettico, trasversale), a seconda dello scopo (preventivi, diagnostici, terapeutici, sulla qualità di vita, ad uso compassionevole).

• Agenzie regolatorie per la valutazione dei prodotti farmaceutici: FDA 1883, EMEA 1995, AIFA 2003.

• Comitati Etici (1996-2001): locali, nazionali ed internazionali.

• Evidence-based medicine: valutazione critica degli studi clinici controllati e delle linee-guida di pratica clinica [e.g. Cochrane collaboration (Archie Cochrane, 1972: Can it work? Does it work in practice? Is it worth it?)].

• Disponibilità dei dati grezzi (Raw data): e.g. query-able webservice.

• Disclosure of interest: divulgazione pubblica delle informazioni che potrebbero costituire un conflitto d’interessi.

Le Regole della Scienza

Trial Sponsor

Disease Target

Cell Therapy

Development

StemCell Inc. (USA)

Batten’s Disease (NCL)

Fetal Human Neural Stem Cells (NSC)

Phase I (completed)

StemCell Inc. (USA)

Batten’s Disease (NCL)

Fetal Human Neural Stem Cells (NSC)

Phase IIb (discontinued for lack of enrollment)

StemCell Inc. (USA)

Pelizaeus-Merzbacher Disease (PMD)

Fetal Human Neural Stem Cells (NSC)

Phase I (completed)

StemCell Inc. (USA)

Spinal Cord Injury (chronic phase)

Fetal Human Neural Stem Cells (NSC)

Phase I/II

Neuralstem Inc (USA) Amyotrophic Lateral Sclerosis Fetal derived hu-spinal cord SCs Phase I (completed)

ReNeuron (UK) Stroke ReN001 Immortalized huNSCs Phase I

City of Hppe (USA) Recurrent High Grade Glioma HB1.F3.CD Immortalized hu NSCs Phase I

NeuroGeneration (USA) Advanced Parkinson’s Disease Autologous NSC-derived Neurons Phase I (completed) Phase II (clinical hold)

Geron Inc. (USA) Spinal Cord Injury (acute phase)

Human embryonic stem cell-derived oligodendrocyte progenitor cells (GRNOPC1)

Phase I (discontinued for lack of funding)

CIRM summary /source clinicaltrials.gov (accessed 2/8/2011)

MSC Clinical Trials by Disease Classification

Target Discovery Target Validation

Discovery (2-10 years)

Preclinical Testing Laboratory and animal testing

Phase I 20-80 healthy volunteers used to determine safety and dosage

Phase II 100-300 patient volunteers used to look for efficacy an side effects

Phase III 1000-1500 patient volunteers used to monitor adverse reactions to long-term use

FDA Review - Approval

Additional Post-marketing Testing

Years (patent protection 20 years)

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Compound Success Rates by Stage

-------------------------------

5.000 - 10.000 screened

250 enter preclinical testing

5 enter clinical testing

1 approved by the FDA

1 billion US$ Investment

La Sicurezza dei Farmaci

• Le reazioni avverse ai medicinali (conosciute anche sotto il nome di effetti collaterali) sono tra le cause più importanti di morte in molti paesi (4°-6° causa di morte negli USA).

• La maggior parte delle reazioni avverse ai farmaci è prevenibile.

• Le persone di tutti i paesi del mondo sono soggette a reazioni avverse a farmaci.

• Il 2-5% dei ricoveri ospedalieri è dovuto ad reazioni avverse ai farmaci.

• Il 30% dei pazienti ospedalizzati per altre cause manifesta una reazione avversa ai farmaci durante il ricovero.

• Lo 0.31% dei pazienti ospedalizzati presenta una reazione avversa ai farmaci che porta a morte.

• In alcuni paesi i costi relativi alle reazioni avverse ai farmaci – come l’ospedalizzazione, le operazioni chirurgiche e la perdita di produttività – superano di gran lunga il costo dei farmaci stessi.

• Nessuna medicina è priva di rischi.

Nat Neurosci. 2012

Nature 2009

RICONVERSIONE DIRETTA LINEAGE REPROGRAMMING

G. Martino. OSR, Milano 10/23/2012

Il futuro non è più quello di una volta

P. Valéry