Terapia cellulare cardiovascolare: premesse Gli attuali approcci terapeutici, pur migliorando la qualità della vita e la sopravvivenza, non sono tuttavia in grado di risolvere il problema della perdita di muscolo cardiaco; La terapia standard dello scompenso cardiaco rimane il trapianto; La scoperta delle cellule staminali ha dato nuove prospettive alla soluzione di questo problema

Stem cells Adult “Adult” Stem cells Pluripotent or Multipotent Embryonal Carcinoma (EC) cells Pluripotent Teratocarcinoma (germ cell tumor) Cord Blood Stem cells Placental Stem cells Pluripotent or Multipotent Infant 6-week Embryo Embryonic Germ (EG) cells (primordial germ cells) Pluripotent Fetal Tissue Stem cells Pluripotent or Multipotent Single-cell Embryo 3-day Embryo 5-7 day Embryo 4-week Embryo Human Developmental Continuum Embryonic Stem (ES) cells Totipotent

LE CELLULE EMBRIONALI STAMINALI

GASTRULATION FUNCTIONAL SIGNIFICANCE

ES CELL DIFFERENTIATION

Rigenerazione cardiaca: il razionale Il cuore dei mammiferi è un’organo terminale e come tale non possiede capacità rigenerative; Alcuni tipi cellulari che costituiscono i vasi del cuore, ma non il muscolo, possono essere ottenuti a partire da cellule precursori del midollo osseo; Esistono prove dell’esistenza di progenitori cardiaci residenti che contribuiscono al regolare turn-over cellulare; Tali cellule non sono tuttavia in grado di rimpiazzare le perdite di tessuto che si verificano nello scompenso cardiaco;

Ohtani K, Dimmeler S Cardiovasc Res 2011 Rigenerazione cardiaca: controllo epigenetico

Ohtani K, Dimmeler S Cardiovasc Res 2011 Rigenerazione cardiaca: regolazione della struttura della cromatina

Tongers J et al. Eur Heart J 2011 Rigenerazione cardiaca: tipi cellulari e vie di somministrazione

Tongers J et al. Eur Heart J 2011 Rigenerazione cardiaca: trials clinici

Tongers J et al. Eur Heart J 2011 Rigenerazione cardiaca: meccanismi

Rigenerazione cardiaca: gli ostacoli Microambiente ostile Eccessiva risposta infiammatoria Densa fibrosi

Rigenerazione cardiaca: midollo emopoietico c-Kit+ I primi tentativi di rigenerazione miocardica sono stati effettuati con una popolazione (c-Kit+) di cellule del midollo ematopoietico; Si ipotizzava la capacità di transdifferenziazione in cardiomiociti; La capacita’ rigenerativa di tale popolazione e’ trascurabile; Il ruolo svolto e’ principalmente paracrino.

Rigenerazione cardiaca: midollo emopoietico EPC Nel midollo ematopoietico, invece, sono presenti le EPC (Endothelial Progenitor Cells); non contribuiscono alla rigenerazione del miocardio ma a quella dei vasi; Si isolano facilmente; Pochi benefici dal loro utilizzo in studi clinici sull’uomo.

Rigenerazione cardiaca: midollo emopoietico Cellule Mesenchimali Contenute nel midollo osseo; Multipotenti: differenziano in osteoblasti, condrociti ed adipociti; Una sottopopolazione differenzia, in minime proporzioni ed in specifiche condizioni, in cardiomiociti; Possono offrire vantaggi per la loro attività immunomodulante.

Rigenerazione cardiaca: Tessuto adiposo Cellule staminali da tessuto adiposo Due tipi: Stromal Vascular Fraction (SVF) ed Adipocyte-Derived Dedifferentiated Fat Cells (DFAT); Sia SVF che DFAT differenziano in CM; Prelievo facile e di grosse quantita’ di cellule; In corso studi clinici con SVF (APOLLO e PRECISE);

Rigenerazione cardiaca: Mioblasti scheletrici Mioblasti scheletrici Per la loro resistenza all’ischemia, sono stati i primi utilizzati nel miocardio ischemico; Differenziano in vivo in miotubi ma non in cardiomiociti; I miotubi non si integrano elettricamente con il tessuto cardiaco circostante; Sono stati condotti studi sull’uomo alcuni dei quali sospesi per inefficacia.

Rigenerazione cardiaca: staminali embrionali Staminali Embrionali Differenziano in ogni tipo cellulare, anche cardiomiociti; Costituiscono la fonte cellulare più promettente; I loro meccanismi di differenziamento in cardiomiociti possono essere conosciuti più approfonditamente; Formano teratomi e sono immunogeniche;

REPROGRAMMING Generation of induced pluripotent stem cells (iPS) from somatic cells Reproducible procedures Good source of pluripotent cells No ethical issues

REPROGRAMMING BASIC PROCEDURES

MOLECULAR EVENTS DURING REPROGRAMMING

CHARACTERISTICS OF HUMAN iPS Expression of NANOG, OCT4, SOX2 and telomerase and upregulation of SSEA1 Downregulation of THY1 ALP+ Reactivation of silent X and epigenetic changes in relevant promoters Functional testing

iPS vs. ES iPS are less prone to teratoma formation Cells of origin causes differences in potency Both cells show tendency to chromosomal aberrations, CNVs accumulations, and several mutations Methylation profiles depend on iPS cell of origin Differences affects utility

METHODOLOGICAL ISSUES ON THE GENERATION OF iPS Choice of reprogramming factors Methods of factors delivery Choice of cell type Parameters of factors expression Culture and derivation conditions Identification of reprogrammed cells Expansion and characterization of iPS Final tissue characterization

DIRECT REPROGRAMMING

Rigenerazione cardiaca: Direct Reprogramming ed Induced Pluripotent Stem cells

DIRECT REPROGRAMMING IN VIVO REDUCES SCAR AREA

DIRECT REPROGRAMMING IN VIVO IMPROVES VENTRICULAR FUNCTION

DIRECT REPROGRAMMING IN VIVO ATTENUATE FIBROSIS

Emerging cell types and delivery routes in not only current cell-based therapy but also second generations of cardiac regeneration therapy for cardiovascular disease. Takehara N, Matsubara H Am J Physiol Heart Circ Physiol 2011;301:H2169-H2180 ©2011 by American Physiological Society

Cell sheet Engineering Build up tissues from cell layers A concept pioneered by Prof. T. Okano Culture cells on a thermoresponsive polymer 37°C 25°C Canavan, H.E., et al. (2005) Surface characterization of the extracellular matrix remaining after cell detachment from a thermoresponsive polymer. Langmuir 21, Cardiac patch Periodontal ligament Corneal epithelium Lung puncture repair Esophageal repair

Tissue regeneration using cell sheet engineering J. Yang et al. / Biomaterials Using homotypic layering of cell sheets, 3-D differentl tissues can be created

Five-layer smooth muscle cell constructs can be transplanted subcutaneously and adhere after 5 min due to the presence of deposited extracellular matrix Smooth muscle cells cultured on temperature-responsive dishes can be harvested as intact sheets by simple temperature reduction Two or five smooth muscle cell sheets can be layered in vitro J. Yang et al. / Biomaterials 26 (2005) 6415–6422 Histology Layered cell sheet constructs form a viable cell-dense structure

Microcarriers Cells Pretissue monolayer Pretissue microspheres Self-assembly Strategy description Tissue delivery using microcarriers

Microcarriers Different Cells types complex tissues may be engineered by heterogenous pre-tissue Tissue delivery using microcarriers

Tissue reconstruction from cell-seeded microbeads Not need to know previously disease shape Tissue reshape can be obtained by bolus injection of cell seeded microbeads at the site of injury

Rigenerazione cardiaca: Prospettive Tipo cellulare Il “Reprogramming” di cellule somatiche potrebbe ridurre i problemi immunitari legati alle cellule staminali embrionali Via di somministrazione Sopravvivenza ed integrazione delle cellule impiantate Sviluppo di matrici strutturali sintetiche Numero di cellule da impiantare

Tongers J et al. Eur Heart J 2011 Rigenerazione cardiaca: questioni aperte

Tongers J et al. Eur Heart J 2011 Rigenerazione cardiaca: strategia combinata

The scheme of retention mechanism in each methods of solo cell-based therapy [1st generations: transcoronary injection (A) and transepicardial injection (B)] and hybrid cell therapy [2nd generations: transepicardial injection with biodegradable scaffold inc... Takehara N, Matsubara H Am J Physiol Heart Circ Physiol 2011;301:H2169-H2180 ©2011 by American Physiological Society

Summary of feasibility in cell-based cardiac regeneration therapy: advantages and disadvantages. Takehara N, Matsubara H Am J Physiol Heart Circ Physiol 2011;301:H2169-H2180 ©2011 by American Physiological Society

Current clinical trials (1st generations and ongoing 2nd generations) and future technology of “real” cardiac regeneration therapy. iPS, induced pluripotent stem; ES, embryonic stem. Takehara N, Matsubara H Am J Physiol Heart Circ Physiol 2011;301:H2169-H2180 ©2011 by American Physiological Society

Adult cardiac stem cell requires empowerment. Mohsin S et al. Circulation Research 2011;109: Copyright © American Heart Association

SWOT analysis of different stem cells and their possible clinical application. Mohsin S et al. Circulation Research 2011;109: Copyright © American Heart Association