Cellule Staminali Le cellule staminali sono quelle cellule che possiedono la capacità di autorinnovamento, sono cioè in grado di produrre per divisione cellulare altre cellule staminali, e dare allo stesso tempo origine sempre per divisione cellulare, a cellule che differenziano e diventano mature

Definizione di cellula staminale Entità “clonale”, cioè in grado di riprodurre se stessa, e di generare per differenziazione tipi cellulari diversi (potenzialità plurima)

“Signature” delle cellule staminali Il fingerprint molecolare per le stem cells sarà rappresentato da un insieme di marcatori che permetteranno di identificare la loro tipica, esclusiva potenzialità biologica Si dovrà pervenire ad una “signature” molecolare che definisca le cellule staminali; difficoltà di pervenire a tale “signature” Fino a quel momento, ove si raggiungerà, la definizione di staminalità rimane un concetto impreciso e forse di utilità limitata Si dovrà pervenire ad un fingerprint molecolare per le stem cells rappresentato da un insieme di marcatori che permettono di identificare la loro tipica, esclusiva potenzialità biologica (indicatori delle vie di trasduzione del segnale, della progressione del ciclo cellulare, del mantenimento dei telomeri, del rimodellamento della cromatina etc., di regolatori post-trascrizionali, resistenza agli stress etc.)

Differenziamento dei tessuti umani

Criteri per la classificazione Capacità di autorinnovamento per tutta la vita dell’organismo Clonogenicità: Capacità di generare una cellula uguale, con le stesse proprietà Capacità di dare origine a cellule specializzate del tessuto d’origine

Proprietà delle cellule staminali Potenza Totipotenti: cellule staminali in grado di dare origine a tutti i tipi di cellule mature di un organismo Pluripotenti: cellule staminali in grado di dare origine a vari tipi di cellule mature Multipotenti: cellule più specializzate in grado di dare origine a pochi tipi di cellule mature Oligopotenti - Unipotenti: cellule ancora più specializzate che hanno la capacità di originare pochissimi (o un solo) tipi cellulari, ma hanno capacità autorigenerativa

Nicchia di cellule staminali DEFINIZIONI Struttura spaziale dove sono conservate le cellule staminali e dove sono in grado di autorinnovarsi in assenza di segnali di differenziamento Insieme dei componenti cellulari e molecolari del microambiente che circonda le cellule staminali che intergiscono con e che controllano le cellule staminali stesse

Nicchia di cellule staminali FUNZIONI Deposito di cellule staminali Controllo del numero delle cellule staminali (Bilancio tra quiescenza e attività proliferativa) Controllo del destino delle cellule staminali (Bilancio tra autorinnovamento e differenziamento)

Strategie di autorinnovamento e differenziamento ASIMMETRIA INVARIANTE ASIMMETRIA DI POPOLAZIONE F.M.Watt et al. “Out of eden: stem cells and their niches”. Science 2000, 287:1427-1430

Intestino

Midollo osseo

Cellule Staminali Cellule staminali embrionali Autoriproducibilità, differenziazione in molteplici tipi cellulari in vivo ed in vitro, clonogenicità, proliferazione estensiva in vitro, capacità di essere congelate e scongelate Cellule staminali fetali e neonatali Presenti negli abbozzi degli organi e nel cordone ombelicale

Cellule Staminali Cellule staminali adulte Presenti in molti organi del nostro organismo, anche se il loro numero si riduce probabilmente con l’età

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

Cellule staminali adulte e progenitori committed

Cellule Staminali dell’uomo adulto Cellule Staminali dell’uomo adulto Molte delle cellule dei tessuti umani non si dividono attivamente ed alcune di esse sono presenti dalla nascita alla morte Alcuni tessuti invece (sangue, cute, intestino, fegato etc.) vanno incontro ad un rapido rinnovamento e le cellule che li compongono possono riprodursi molto rapidamente Ad esempio, ogni giorno, in un uomo adulto di 70 Kg si producono 1011 eritrociti e vari milioni di cellule intestinali e della cute

Cellule staminali adulte Plasticità

Plasticità Capacità di una cellula staminale adulta di un tessuto di generare una cellula differenziata di un altro tessuto perdita dei markers tessuto-specifici e della funzione del vecchio tipo cellulare acquisizione di markers e funzioni del nuovo tipo cellulare

Adult Stem Cells Midollo osseo: Cellule staminali del cervello 1960s Cellule staminali emopoietiche  RBCs, macrofagi/monociti neutrofili, basofili, eosinofili linfociti T e B, cellule NK Cellule stromali:  osso, cartilagine, cellule adipose tessuto connettivo fibroso 1990s Cellule staminali del cervello  neuroni, astrociti, oligodendrociti Cellule staminali sono presenti in quasi tutti i tessuti

Cellule staminali adulto diminuiscono con l’età del donatore hanno minori capacità replicative (anche in termini di numero di divisioni cellulari)

Potenzialità cellule staminali embrionali ed adulte Facili da isolare dagli embrioni. La espansione in coltura piuttosto semplice Poche, difficili da isolare e da coltivare in laboratorio Adulte Fonte di cellule mature molto efficiente Può essere difficile disporne in quantità sufficiente Capacità di differenziare verso tutti gli altri tipi cellulari maturi Potenzialità differenziativa limitata? Mancano solide conferme per un impiego clinico Efficacia provata in specifici contesti

Sangue del Cordone Ombelicale: una fonte alternativa di cellule staminali Cellule staminali facilmente ottenibili dal cordone ombelicale Tecnica di prelievo non invasiva Possono essere conservate per futuri usi Causano problemi immunologici molto inferiori rispetto a cellule staminali adulte quando reinfuse Uso limitato dallo scarso numero

Staminali in regalo al neonato E' la nuova moda in Inghilterra. Con 2 mila euro si regala al piccolo la conservazione del proprio cordone ombelicale per 25 anni Dal: Corriere della Sera del 24 gennaio 2006

La promessa della ricerca sulle cellule staminali: la medicina rigenerativa Drug Development and Toxicity Tests Experiments to Study Development and Gene Control Cultured Pluripotent Stem Cells Tissues/Cells for Therapy Bone Marrow Nerve Cells Heart Muscle Cells Pancreatic Islet Cells

Le cellule staminali emopoietiche Ipotizzate da almeno 70 anni Dimostrate in vitro da almeno 40 anni Utilizzate in vivo da circa 30 anni Identificate citofluorimetricamente da circa 20 anni

Maturazione delle cellule del sangue Cellula Staminale pluripotente Cellule multipotenti Progenitori con limitata capacità replicativa Cellule Mature Senza capacità replicativa

Parkinson’s Disease and Stem Cell Research - affects 2% of the population >65 y - progressive degeneration of dopamine-producing neurons  tremor, rigidity, hypokinesis mouse embryonic stem cells Nurr1 gene differentiation to dopamine-producing neurons PD rat model dopamine release improved motor function

Rigenerazione di tessuto osseo Formazione di vasi sanguigni Reazione periostale Formazione di vasi sanguigni Formazione di osso

CABG + Intramyocardial Stem Cell Injection Musica di Alessandro Scarlatti - concerto grosso in F - Largo up to 80 x 106 CD133+ BMSC 10 x 0.2 ml injections C. Stamm, Rostock - Berlin

Finalità terapeutiche per le cellule staminali Malattie del sistema emopoietico Malattie cardiovascolari Malattie del sistema osseo, cartilagineo, ustioni, etc. Malattie dell’occhio Lesioni midollo spinale Malattia di Parkinson e altre neuropatie Malattie autoimmuni Diabete (specie tipo 1)

Principali trial clinici che utilizzano cellule staminali Anemie aplastiche/sindromi mielodisplastiche Infarto del miocardio/scompenso cardiaco Malattia di Gaucher/ malattia di Fabry Morbo di Crohn Protezione durante chemioterapia/radioterapia Graft versus Host Disease Periodontite Immunodeficienze congenite Vaccini antitumorali