LE CELLULE STAMINALI: dalla ricerca di base alle applicazioni

PerchPerchéé ci troviamo oggi a parlare ci troviamo oggi a parlare delle cellule staminali?delle cellule staminali?

•• DrieschDriesch (fine (fine ‘‘800) dimostra la 800) dimostra la totipotenzatotipotenzadei blastomeri delldei blastomeri dell’’embrione precoce di embrione precoce di riccio di mare riccio di mare

Isolamento di blastomeriIsolamento di blastomeri

(stadio di 2 o 4 cellule) (stadio di 2 o 4 cellule)

2 o 4 piccole larve2 o 4 piccole larve

Caratteristiche generaliCaratteristiche generali

•• Hanno grande potenziale proliferativoHanno grande potenziale proliferativo•• Sono capaci di Sono capaci di autorinnovamentoautorinnovamento•• Possiedono ampie potenzialitPossiedono ampie potenzialitàà differenziativedifferenziative::

–– TotipotenzaTotipotenza–– PluripotenzaPluripotenza–– MultipotenzaMultipotenza

•• Sono presenti in tutti gli stadi di sviluppo:Sono presenti in tutti gli stadi di sviluppo:–– Embrionale (ESC)Embrionale (ESC)–– Fetale (FSC)Fetale (FSC)–– Adulto (ASC)Adulto (ASC)

•• Provvedono:Provvedono:–– allo sviluppo embrionale e fetale allo sviluppo embrionale e fetale –– alla rigenerazione ed allalla rigenerazione ed all’’omeostasi di organi adultiomeostasi di organi adulti

Caratteristiche generaliCaratteristiche generali

Tutte queste caratteristiche e la possibilitTutte queste caratteristiche e la possibilitàà di di manipolarle fisicamente e geneticamente manipolarle fisicamente e geneticamente rendono le cellule staminali oggetto di rendono le cellule staminali oggetto di estremo interesse in diversi campi di ricerca e estremo interesse in diversi campi di ricerca e di terapia clinica, grazie alle attuali sofisticate di terapia clinica, grazie alle attuali sofisticate tecnologie.tecnologie.

Nel contempo, la trasposizione delle ricerche Nel contempo, la trasposizione delle ricerche dagli dagli ““animalianimali”” allall’’uomo, introduce uomo, introduce implicazioni etiche che pongono la ricerca implicazioni etiche che pongono la ricerca stessa al centro dellstessa al centro dell’’interesse di altre interesse di altre discipline (anche non scientifiche).discipline (anche non scientifiche).

Segmentazione nei mammiferi ed Segmentazione nei mammiferi ed origine delle ESCorigine delle ESC

Destino delle popolazioni cellulari Destino delle popolazioni cellulari della blastocistidella blastocisti

Stadi di sviluppo e potenziale

differenziativo• L’uovo fecondato e gli stadi

embrionali a 2 e 4 cellule sono totipotenti e possono dare origine ad ogni tipo di cellula.

• Le cellule della massa cellulare interna della blastocisti sono pluripotenti perché possono dare origine a tutti i tipi cellulari dell’embrione, ma non ai tessuti extraembrionali

Cellule staminali Cellule staminali embrionali (ESC)embrionali (ESC)

Cellule staminali embrionali (ESC)Cellule staminali embrionali (ESC)

•• Edwards (1967): da blastocisti di coniglio vengono Edwards (1967): da blastocisti di coniglio vengono ottenute cellule che, coltivate ottenute cellule che, coltivate in vitroin vitro, formano aggregati , formano aggregati ((embryoidembryoid bodiesbodies) o ) o monostratimonostrati che possono essere che possono essere propagati per diverse generazioni e congelati.propagati per diverse generazioni e congelati.

Evans e Kaufman (1981): coltivano blastocisti di topo, ottenendo ESC pluripotenti.

Evans e Kaufman (1981): coltivano blastocisti di topo, ottenendo ESC

pluripotenti

• Una cellula è pluripotente se:– È capace di formare “embryoid bodies”

– È capace di formare teratocarcinomi se iniettata in un organismo ospite

– È capace di formare chimere se iniettata in una blastocisti ospite

Science, Vol 282, Issue 5391, 1145-1147 , 6 November 1998

Embryonic Stem Cell Lines Derived fromHuman 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

Caratteristiche delle ESC• Le caratteristiche principali

delle cellule staminali embrionali sono dunque la pluripotenza e la capacità di auto rinnovarsi

• Tra i meccanismi molecolari dell’autorinnovamento e del mantenimento della pluripotenza sembrano svolgere un ruolo chiave le modificazioni alla struttura della cromatina.

Struttura della cromatina nelle ESCL’organizzazione strutturale della cromatina influisce sulla funzionalità del genoma modulando l’affinità dei regolatori trascrizionali con i loro bersagli.

• Nelle ESC la cromatina èprevalentemente decondensata(eucromatina) e ricca di modificazioni istonicheattive

• Con il differenziamento si accumulano regioni di eterocromatina, contenenti modificazioni istoniche repressive

• Le proprietà delle cellule staminali di pluripotenzaself-renewalsono legate anche alla capacità di effettuare divisioni cellulari simmetriche e asimmetriche

Segnali di self-renewal in ESC

Applicazioni delle ESC alla

ricerca biologica:

studi in vivo

• Produzione di animali chimerici

• Produzione di animali transgenici

Iniezione di DNA in un pronucleo femminile

Studi in vivo che permettono di investigare:

– La funzione di geni normali nello sviluppo (ad es., sovraespressionedi geni)

– La funzione di geni alterati nella patogenesi di malattie (ad es., espressione di geni umani mutati)

Applicazioni delle ESC alla ricerca biologica: studi in vitro

Allestire linee di ESC, controllandone il differenziamento

• Studiare i meccanismi alla base delle proprietà di self-renewal e di pluripotenza:– Isolare le ESC e farle proliferare– Variare il mezzo di coltura, eliminando od aggiungendo fattori che si

suppongono implicati nel differenziamento e studiandone l’effetto– Alterare geneticamente le cellule, studiandone l’effetto

• Studiare i meccanismi di malattie genetiche:– Isolare le ESC e farle proliferare– Transfettare le cellule staminali con un gene mutato– Studiare il comportamento delle cellule “dissezionando” i meccanismi

patogenetici– Studiare la risposta a specifici trattamenti (farmaci, RNAi,etc.)

Applicazioni terapeutiche delle ESC

Applicazioni terapeutiche delle ESC

Applicazioni terapeutiche delle ESCTrapianto cellulare

L’approccio terapeutico con ESC è promettente per il trattamento di patologie caratterizzate da un’estesa morte cellulare, soprattutto a carico di tessuti “perenni”o resi incapaci di rigenerare:

– Malattie neurodegenerative (AD, PD, HD etc.)– Distrofie muscolari– Malattie cardiache (infarto, ischemia, malattie coronariche

croniche, etc.)– Leucemie– AIDS– Malattie genetiche

Ma quale fonte utilizzare per produrre hESC?

Derivazione di linee di hESC

POSSIBILI FONTI DI hESC• Utilizzo di embrioni

“soprannumerari” derivanti da IVF

• Produzione di embrioni tramite trasferimento nucleare da cellule somatiche di paziente in oociti di donatrici (“clonazione terapeutica”)

PROBLEMATICHE ETICHE E SOCIALI• Consenso informato per chi dona gli

oociti• La blastocisti è già un essere umano o

solo un insieme di cellule?• La clonazione “terapeutica” è

veramente diversa da quella “riproduttiva”?

• Le cellule staminali “clonate” possono costituire una terapia realistica? Solo per pazienti ricchi?

• Cellule staminali geneticamente modificate

• L’utilizzo terapeutico può incidere sul giudizio etico? (ovvero: “Sopprimere una vita per salvarne un’altra?”)

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Clonazione terapeutica

Fonti “alternative” di hESC