Cellule staminali Cosa sono le cellule staminali? Sono cellule capaci di dare origine a tutti i tipi di cellule

Caratteristiche di una cellula staminale: Non è terminalmente differenziata Può dividersi illimitatamente Genera cellule figlie che possono decidere di rimanere staminali o di differenziarsi.

Generalmente dopo una divisione cellulare la progenie sarà per metà staminale e per l'altra metà terminalmente differenziata. Asimmetria ambientale : da una cellula staminale si originano due cellule uguali che si differenzieranno per fattori ambientali o casuali. Come avviene questo fenomeno? Asimmetria divisionale : le cellule figlie sono diverse già dalla nascita

Ipotesi del filamento immortale. Quando una cellula staminale si divide la marcatura con BrdU nel suo DNA si trasmette alla cellula figlia che rimarrà staminale. Non si conoscono ancora i meccanismi, ma potrebbe essere un altro modo per ridurre i rischi di mutazioni al DNA.

Quando le cellule staminali si dividono generano cellule che si amplificano in transito, cioè che transitano dal carattere staminale a quello differenziato e che amplificano il numero della progenie.

Il meccanismo delle cellule che si amplificano in transito è una strategia per il controllo della crescita Alcuni segnali identificano alcune cellule come fondatrici di popolazioni di cellule diverse. Esse possono dividersi un numero limitato di volte per delimitare la dimensione di un organo ma tuttavia permettere di rigenerarlo.

Le cellule staminali si dividono in in : Totipotenti: possono generare tutti i tessuti di un individuo e gli annessi embrionali. Sono considerati tali solo gli stadi precoci dell'embrione.

Pluripotenti: cellule in grado di dare luogo a tutti i tessuti di un individuo ma non agli annessi embrionali. Sono pluripotenti le cellule della massa interna della blastocisti, rivestita dal trofoblasto, dette anche cellule staminali embrionali.

Le cellule staminali embrionali se coltivate in vitro proliferano illimitatamente e possono differenziarsi, per sostituire tessuti danneggiati, se vengono sottoposte a fattori di crescita. Alcuni obiettivi nel campo della medicina sono stati raggiunti, ma altri rimangono solo potenziali.

Multipotenti: cellule maggiormente differenziate rispetto alle precedenti, sono in grado di dare luogo a tutti i tipi cellulari del tessuto di appartenenza. Vengono considerate multipotenti le cellule staminali dell’adulto, come le cellule ematopoietiche e le mesenchimali.

Cellule staminali ematopoietiche

Cellule staminali mesenchimali

Cellule staminali nell'adulto cervello retina seno intestino midollo rosso testicoli pelle muscoli

La funzione e l'identità di una cellula staminale è controllata: cellule adiacenti di supporto da capillari sanguigni da strutture extracellulari come la lamina basale e la matrice extracellulare. Controllano l’autorinnovamento e modulano l’espressione di molecole di adesione. ● Dal micro-ambiente in cui si trovano, che è detto nicchia. La cui struttura è caratteristica per ogni tessuto, ma in generale essa è formata da:

Fattori di trascrizione, come Oct-4, Nanog, Sox2, costituiscono la rete principale di regolazione che assicura la soppressione dei geni che portano alla differenziazione e il mantenimento della staminalità.

In generale i TF tramite l'attivazione e l'inibizione di segnali permettono l'espressione genica in base alle esigenze dell'organismo. Ogni fattore da solo mantiene la propria espressione, richiesta nel ES per la funzione caratteristica. I diversi fattori sono coinvolti collettivamente in meccanismi di feedback che permettono di rinforzare l'attività trascizionale di ciascun fattore e la quantità necessaria degli stessi.

I fattori di trascrizione sono molecole interagenti ; una concentrazione alterata di uno di essi compromette la staminalità della cellula. Overespressione di oct4: induce al differenziamento verso il mesoendoderma Overespressione di Nanog: limita le capacità di differenziamento

Dal loro bilanciamento dipende il destino della cellula : Autorinnovo (mantenimento staminalità) Differenziamento Con controllo dei circuiti molecolari che portano alla massima specificità della cellula

Sall4 è coinvolto nella regolazione delle linee embrio derivate (ESC, XEN) Oct4 è presente nei blastomeri, ed implicato nella tumorigenesi negli adulti Nanog è espresso in ES e nelle primordiali cellule germinali. Alcuni esempi di fattori di trascrizione:

Relativamente alle fonti di raccolta, le cellule staminali sono distinte in: Embrionali: ottenute da una cellula-uovo fecondata in vitro o da una cellula uovo non fecondata il cui nucleo viene sostituito con quello di una cellula somatica adulta.

Fetali: presenti nel feto, a partire dall'ottava settimana dopo la fecondazione, sono ricavate da aborti naturali. Possiedono caratteristiche intermedie tra le cellule staminali embrionali e quelle adulte. È in fase di studio la possibilità di un loro impiego clinico.

Da sangue cordonale e placentare Sono cellule staminali adulte, multipotenti di due tipi: ematopoietiche e mesenchimali. Vengono prelevate dal cordone ombelicale dopo il parto. Si conservano in banche anche per decenni a disposizione dei pazienti ematologici che ne necessitano il trapianto.

Da adulto: provvedono alla sostituzione continua delle cellule di tutti i tessuti dell’organismo, al mantenimento dei tessuti e alla loro riparazione dopo un danno. Alcuni studi hanno dimostrato che le c.s. emopoietiche e le mesenchimali, in particolari condizioni, sono in grado di differenziarsi in cellule con differenti specificità tessutali (transdifferenziazione o plasticità).

Questa espressione genica selettiva controlla i quattro processi fondamentali mediante i quali viene costituito l’embrione: proliferazione cellulare: produzione di più cellule da una di partenza specializzazione cellulare: creazione di cellule con comportamenti diversi in diverse posizioni interazione cellulare: coordinamento del comportamento di una cellula con quella delle cellule vicine movimento cellulare: sistemazione delle cellule in forme strutturate, tessuti ed organi

Cancer stem cells Le CSC presentano multipotenzialità e capacità di autorigenerazione Si dividono in: Tumorali differenziate A potenziale oncogenico (neoplastiche)

L’attività proliferativa del tumore è massima al minimo grado di differenziamento delle CSC. É difficilmente contrastabile nel caso di metastatizzazione (delocalizzazione del tumore)

La ricerca italiana “Visto che le tumorali sono cellule indifferenziate, in ciò simili alle staminali, ma volte all’opposto di esse a una replicazione indefinitamente fuor di regola, innaturale” ha spiegato Biava “somministrando i fattori di differenziazione si riportano le cellule alla normale fisiologia”. La difficoltà principale sta nell’individuare lo stadio in cui la maturazione delle cellule tumorali si è bloccata, somministrando poi i fattori di differenziazione delle staminali corrispondenti a quello stadio.”

Cellula staminale pluripotente indotta (IPS) Si ottiene prelevando alcune cellule differenziate dell'adulto e riprogrammandone il genoma con i geni della staminalità. Tali cellule vengono esposte a fattori di trascrizione, come Sall4, Oct4, Nanog e Sox2 ed a fattori di rimodellamento della cromatina.

Patologie attualmente trattabili mediante cellule staminali adulte Disturbi oncologici e malattie proliferative Leucemie Linfoma di Hodgkin Linfoma non-Hodgkin Neuroblastoma Disturbi ematologici e correlati Anemia aplastica Aplasia eritrocitaria Anemia refrattaria Anemie falciformi

Il trapianto Dal midollo osseo e dal sangue le staminali possono essere selezionate ed estratte. Successivamente le cellule selezionate possono essere trasfuse direttamente ai pazienti per rigenerare ad esempio il midollo osseo, oppure, stimolate a trasformarsi in cellule mature appartenenti a un particolare organo o tessuto. Quando le cellule staminali reinfuse sono quelle del paziente stesso, il trapianto si definisce autologo. Quando le cellule staminali provengono da un donatore, il trapianto si definisce allogenico.

Il sangue da cordone ombelicale è stato utilizzato per la prima volta in un caso di anemia di Fanconi, a Parigi (Gluckman e altri – 1989), utilizzando un cordone prelevato a New York dal fratello del paziente.Gluckman e altri Per quanto riguarda la leucemia, la terapia dipende dal tipo, dal suo stadio e dal fatto che la malattia sia in fase acuta o cronica. Importante è anche l'età al momento della diagnosi.

Leucemie mieloidi acute Sono candidati al trapianto di cellule staminali solo i pazienti in prima remissione completa con disponibilità di un donatore familiare HLA identico

Leucemie linfoidi acute Il trapianto allogenico in prima remissione completa è indicato in pazienti giovani che abbiano un donatore correlato e che abbiano delle caratteristiche ad alto rischio.

Leucemia mieloide cronica Un tempo, se il paziente era di giovane età con disponibilità di un donatore familiare compatibile, si procedeva al trapianto di cellule staminali allogenico in una fase precoce, la cosiddetta fase cronica, nella quasi totalità dei casi.

»Attualmente, essendo disponibili nuovi farmaci che mantengono stabile la patologia per lungo tempo, consentendo di ottenere RC a lungo termine, il trapianto di cellule staminali allogenico nella leucemia mieloide cronica viene riservato solo a pazienti selezionati che presentano fattori di rischio elevato per alcune caratteristiche biologiche della loro malattia.

I tumori maligni che colpiscono il sistema linfatico si suddividono convenzionalmente in due grandi categorie: * il linfoma di Hodgkin (in passato detto anche morbo di Hodgkin) * i linfomi non Hodgkin a loro volta suddivisibili in diversi sottotipi.

Linfoma di Hodgkin In caso di malattia progressiva si può ricorrere a trattamenti chemioterapici più aggressivi seguiti dal trapianto di cellule staminali emopoietiche autologhe (cioè provenienti dallo stesso paziente) o allogeniche (cioè provenienti da un donatore consanguineo o non consanguineo).

Linfoma di non-Hodgkin Nel caso in cui il paziente affetto da linfoma sia giovane e disponga di un fratello o di una sorella compatibile, può essere vantaggioso procedere ad un trapianto allogenico di cellule staminali. Questo offre il vantaggio di unire all’effetto terapeutico delle alte dosi di chemio- e/o radioterapia, un ulteriore effetto antitumorale svolto da un sistema immunitario “nuovo”, cioè quello del donatore

Neuroblastoma Il neuroblastoma è un raro tumore che colpisce i bambini e origina dalle cellule del sistema nervoso simpatico localizzate nelle ghiandole surrenali, oppure in alcuni gruppi di cellule nervose. Quando il tumore si trova allo stadio 4 l’intervento chirurgico va associato a un trattamento molto aggressivo con alte dosi di chemioterapia, seguite da autotrapianto di cellule staminali del paziente (prelevate anche dal cordone ombelicale).

Anemia falciforme Alcuni ricercatori del National Institute of Health hanno analizzato i risultati parziali di una sperimentazione di fase uno condotta su dieci pazienti. Questi hanno ricevuto un trapianto di cellule staminali del sangue prelevate da donatori sani e sono stati trattati con un farmaco immunosoppressore. Alla fine del trattamento nove pazienti su dieci avevano globuli rossi sani e non avevano più i danni agli altri organi che questa malattia provoca. Tuttavia, il trapianto mieloablativo allogenico di cellule staminali ematopoietiche è ritenuto curativo nei bambini con anemia falciforme, ma negli adulti la procedura può risultare eccessivamente tossica.

Malattie del sistema immunitario: Malattie del sistema immunitario: Lupus Eritematoso Sistemico (LES)  Eziologia autoimmune  Coinvolgimento di tutti gli apparati  Presenza di lesioni cutanee “a farfalla”

Malattie del sistema immunitario: Malattie del sistema immunitario: Lupus Eritematoso Sistemico (LES) Terapia convenzionale farmacologica Trapianto di staminali emopoietiche rigenerazione del sistema immunitario

Malattie del sistema immunitario: Malattie del sistema immunitario: Lupus Eritematoso Sistemico (LES) studio del Dr. Richard Burt & coll.  Raccolta delle cellule staminali  Purificazione  Chemioterapia per distruggere il sistema immunitario “malato”  Reinserimento delle cellule staminali “ripulite”

Malattie del sistema immunitario: Malattie del sistema immunitario: Sindrome da Immunodeficienza Acquisita (AIDS) Deplezione di linfociti-T  infezioni da microrganismi  insorgenza di tumori

Malattie del sistema immunitario: Malattie del sistema immunitario: Sindrome da Immunodeficienza Acquisita (AIDS) Ruolo della proteina CCR5: si tratta di una proteina recettore alla quale si lega il virus HIV che riesce così ad attaccare gli anticorpi. Assenza della proteina CCR5: una mutazione genica impedisce la comparsa della molecola CCR5, con conseguente resistenza dell’individuo all’HIV.

Malattie del sistema immunitario: Malattie del sistema immunitario: Sindrome da Immunodeficienza Acquisita (AIDS) Luglio 2010: Uno studio condotto dal team della Dr.ssa Paula Cannon prevede l’utilizzo di cellule staminali, create in laboratorio, prive della proteina CCR5.  introduzione nelle cavie;  riacquisizione dell’immunocompetenza.

Disturbi metabolici: Disturbi metabolici: Osteopetrosi Si tratta di un gruppo di malattie rare che comportano un aumento della densità ossea sulle radiografie. Causa: difetto dello sviluppo o della funzione degli osteoclasti  l'osso diventa estremamente duro;  difetti nella formazione delle cellule del sangue;  deformazioni ossee con conseguente cecità e sordità;  la malattia talvolta risulta fatale e porta alla morte.

Disturbi metabolici: Disturbi metabolici: Osteopetrosi La terapia è generalmente sintomatica. In alternativa, in casi più gravi, si può ricorrere al trapianto di staminali emopoietiche. Intervenire durante la gravidanza, quando l'osso inizia formarsi, potrebbe prevenire gli effetti della malattia.

Disturbi metabolici: Disturbi metabolici: Osteopetrosi Delle sperimentazioni compiute su un particolare ceppo di topi hanno condotto a risultati incoraggianti che aprono diverse possibilità terapeutiche.

Disturbi metabolici: Disturbi metabolici: Diabete mellito di tipo 1 Si tratta di una patologia degenerativa che consiste nella reazione autoimmunitaria dell'organismo alle beta cellule pancreatiche nelle isole di Langerhans, con conseguente carenza di insulina.  Patologie cardiache/circolatorie;  Disturbi della vista e dei reni;  Cattiva irrorazione vascolare;  Danneggiamento delle cellule nervose (neuropatia);  Piedi diabetici;  Elevata predisposizione alle infezioni.

Disturbi metabolici: Disturbi metabolici: Diabete mellito di tipo 1 La terapia con cellule staminali comporterebbe due vantaggi:  rigenerazione delle Isole del Langerhans;  possibilità di non essere sottoposti ad una terapia immunosoppressiva a seguito del trapianto.

Disturbi metabolici: Disturbi metabolici: Diabete mellito di tipo 1 A spiegare i passi avanti il gruppo di ricercatori guidati da Camillo Ricordi, direttore del Centro trapianti cellulari dell'Istituto di ricerca sul diabete dell'università di Miami (Florida): cotrapianto di midollo osseo ed Isolette del Langerhans del donatore tolleranza nei confronti del tessuto trapiantato

Disturbi metabolici: Disturbi metabolici: Diabete mellito di tipo 1 1.produzione in vitro di cellule insulino-secernenti 2.migliorare il rapporto nel metabolismo glicidico 3.modulare la risposta immunitaria

Plasticità delle cellule staminali  Possibilità di curare disordini neurologici usando cellule staminali non neurali o guarire un danno tissutale usando cellule staminali ricavate da un’ altra parte del corpo.

Terapie possibili nel futuro 1)Potenziale cura delle malattie degenerative del sistema nervoso (morbo di Parkinson, morbo di Alzheimer, sclerosi multipla, sclerosi laterale amiotrofica) 2)Ricostruzione del midollo spinale danneggiato da traumi fisici 3)Malattie muscolo-scheletriche 4)Ricostruzione del tessuto cardiaco dopo infarto

Morbo di Parkinson Malattia neurodegenerativa caratterizzata dalla progressiva degenerazione dei neuroni dopaminergici che sono situati nella substantia nigra del cervello.

Morbo di Parkinson Terapia attraverso cellule staminali embrionali stimolate in vitro con il prodotto del gene NURR1 che produce il loro differenziamento in neuroni dopaminergici Da cellule della pelle a neuroni

Morbo di Alzheimer Demenza neurodegenerativa caratterizzata da un accumulo extracellulare di una proteina chiamata beta-amiloide e da accumuli intracellulari in ammassi cosiddetti neurofibrillari. Terapia attraverso cellule staminali neuronali

Curare la sclerosi multipla potrebbe essere una questione di naso Il bulbo olfattivo contiene intere colonie di cellule staminali che potrebbero essere utilizzate per la produzione di oligodendrociti e la cura delle malattie demielinizzanti

Malattie del motoneurone Sclerosi laterale amiotrofica (SLA) : malattia neurodegenerativa che colpisce i motoneuroni del cervello e del midollo spinale Sostituzione dei motoneuroni danneggiati Proteggere i motoneuroni in fase di degenerazione

Ricostruzione del midollo spinale in seguito a traumi fisici Cellule staminali embrionali potrebbero differenziarsi in oligodendrociti che producono mielina, sostanza che scarseggia in presenza di un infortunio

Malattie muscolo-scheletriche: Duchenne Degenerazione del tessuto muscolare-scheletrico e dalla sua sostituzione con tessuto fibroso e adiposo Degenerazione del tessuto muscolare-scheletrico e dalla sua sostituzione con tessuto fibroso e adiposo Insuccesso del trapianto di cellule satelliti e possibilità di iniezione intrarteriosa di cellule staminali Insuccesso del trapianto di cellule satelliti e possibilità di iniezione intrarteriosa di cellule staminali

Staminali nell’ infarto del miocardio Il muscolo cardiaco umano ha una capacità rigenerativa e autoreplicativa decisamente limitata. Le cellule staminali adulte e embrionali se sottoposte a particolari condizioni di crescita si potrebbero transdifferenziare per rigenerare i tessuti danneggiati.

L’utilizzo in medicina delle cellule staminali è universalmente accettato: i problemi etici derivano dalla provenienza delle cellule staminali

Cosa dice la legge ?

In Italia non è legale utilizzare embrioni per la ricerca medica (legge n.40/2004) Si consente la ricerca clinica e sperimentale soltanto con finalità di tutela della salute e dello sviluppo dell’ embrione stesso

In Italia non è consentito creare embrioni esclusivamente per la ricerca medica Le tecniche di procreazione medicalmente assistita non devono creare un numero di embrioni superiore a quello strettamente necessario ad un unico e contemporaneo impianto

L’utilizzo delle cellule staminali embrionali per la ricerca medica, all’interno dell’Unione Europea è consentito in Spagna, nel Regno Unito, in Svezia e in Belgio

Nel Regno Unito : È legale utilizzare embrioni umani per la ricerca medica ma con leggi rigorose È possibile creare embrioni umani,in seguito al consenso dei donatori, e ricavarne cellule staminali per la ricerca medica.

In Spagna: È autorizzata la ricerca medica sugli embrioni non vitali ma non è consentita la creazione di embrioni umani a questo scopo. È consentita la clonazione terapeutica soltanto se realizzata partendo dagli embrioni sovrannumerari e con il consenso dei donatori.

USA 1995 – Bill Clinton firma una legge che rende illegali fondi federali per la ricerca su cellule staminali ottenute con la distruzione dell’embrione. 19 luglio George W. Bush firma il veto della legge che avrebbe permesso l’uso di fondi federali per la ricerca su cellule staminali ottenute dalla distruzione dell’embrione, nonostante il si della Camera Usa con 253 voti favorevoli e 134 contrari.

Nel marzo 2009 il presidente Obama ha rimosso i limiti al finanziamento pubblico alla ricerca sulle cellule staminali embrionali, decisi dal suo predecessore George W. Bush e ribaditi in un ordine presidenziale il 20 giugno 2007