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Le cellule di un organismo pluricellulare condividono lo stesso
genoma ma sono estremamente diverse e specializzate; nel corpo
umano esistono almeno 200 tipi di cellule differenziate.
Accanto a queste esiste una classe di cellule non ancora
differenziate: si tratta di cellule staminali.
Si definiscono CELLULE STAMINALI le cellule che,
indipendentemente dalla loro origine, possiedono le seguenti
caratteristiche:
1) Sono in grado di dividersi in maniera illimitata;
2) non sono terminalmente differenziate;
3) a ogni divisione la cellula staminale può dare origine sia a
due cellule diverse tra loro, sia a due cellule identiche tra loro.
Duplice effetto: mantenimento della popolazione di cellule staminali e produzione di
cellule differenziate.
Il processo di differenziamento di una cellula avviene in modo
graduale, e i segnali che lo regolano possono provenire sia
dall’interno (espressione dei geni) che dall’esterno della cellula
(microambiente-nicchia staminale); l’interazione di questi segnali
determina lo stato differenziativo della cellula.
I VARI GRADI DI STAMINALITA’: potenziale differenziativo
ES, Embryonic Stem cells
staminali emopoietiche
Transit amplifying cells
Committed cells
Massa cellulare interna
blastocisti: pluripotenti
CLASSIFICAZIONE DELLE CELLULE STAMINALI
in base alla loro origine
•Cellule staminali embrionali (ES, Embryonic Stem cells): linee
cellulari ottenute dalla massa cellulare interna della blastocisti, sono cellule
pluripotenti. Le cellule ES murine possono essere coltivate in vitro, e in
condizioni opportune mantengono indefinitamente la loro pluripotenza.
Trovano importanti applicazioni nella ricerca.
• Cellule staminali fetali: cellule staminali presenti nel feto dopo la
gastrulazione. Sono pluripotenti e multipotenti.
• Cellule staminali adulte: presenti nei tessuti di un adulto, hanno il
compito di accrescerlo e di fornirgli cellule di sostituzione. Sono cellule
multipotenti e unipotenti tessuto-specifiche. Si trovano in alcune zone
profonde di tutti i tessuti differenziati (nicchie staminali), e il loro numero si
riduce progressivamente con l’età.
Dalle cellule staminali adulte derivano:
• le cellule progenitrici (transit amplifying cells): cellule
multipotenti che hanno la capacità di dividersi un numero di volte
elevato, ma non illimitato.
• cellule progenitrici committed, in grado di dare origine ad un unico
tipo cellulare. Sono unipotenti e si dividono in modo limitato.
In alcuni tessuti le cellule staminali adulte sono molto scarse e
difficili da individuare.
CSm
- Transit a. - committed
Le cellule staminali adulte:
1) Alcune sono dotate di notevole plasticità
(in vitro): possono essere indotte a
differenziare in altri tipi cellulari;
2) Possono essere mantenute in coltura per
brevi periodi;
3) Si dividono raramente durante il normale
ricambio tissutale, ma vengono attivate ad
es. a seguito di danni del tessuto;
4) Richiedono nicchie staminali.
La “nicchia staminale” è il microambiente composto da: elementi
cellulari, metaboliti che arrivano alla nicchia e da segnali prodotti
localmente che regolano la staminalità o il differenziamento.
Fattori che determinano il destino staminale o meno
della cellula:
 Numb e Numb-like è essenziale per la
staminalità durante le fasi di espansione del
tubo neurale;
 il centriolo-madre più antico nelle cellule gliali
radiali;
 filamenti-stampo del DNA
Uso delle cellule staminali in medicina
Ottenute per la prima volta nel 1998, le linee di cellule ES umane
derivano dalla massa cellulare interna della blastocisti. Sono
cellule che, mantenendo in coltura la pluripotenza delle cellule di
origine, ossia la capacità di generare qualsiasi tipo cellulare
differenziato del nostro organismo, aprono importanti prospettive
per la ricerca biomedica e per la medicina rigenerativa.
Se coltivate in condizioni differenziative non controllate, le cellule
ES tendono a formare aggregati cellulari detti corpi embrioidi, in
cui inizia, in modo caotico, l’istogenesi di tutti i tessuti. E’ perciò
necessario mettere a punto metodiche in grado di controllarne e
dirigerne il differenziamento verso la formazione di specifici
tessuti, nonché essere sicuri che non rimangano nella popolazione
cellule indifferenziate, che potrebbero dare origine a tumori.
Negli ultimi anni sono state ottenute cellule molto simili in termini di
pluripotenza alle cellule ES, partendo da cellule adulte differenziate,
riconvertite allo stadio pluripotente.
Le cellule ottenute da un animale adulto possono essere convertite ad uno
stadio pluripotente attraverso 4 meccanismi:
a) iniezione del nucleo di una cellula somatica in un ovocito enucleato;
b)
fusione tra una cellula somatica adulta e una cellula staminale
embrionale;
c)
coltura in vitro di cellule spermatogoni che in condizioni colturali
appropriate possono essere riprogrammate a cellule pluripotenti;
a)
espressione forzata in cellule somatiche adulte di fattori di trascrizione che
le riprogrammano allo stadio di cellula pluripotente (es. Oct4, Sox2,
Myc…). Le cellule così ottenute, dette iPS (induced pluripotent stem cells),
possono potenzialmente differenziare in ogni tipo cellulare.
PLASTICITA’ DELLE CELLULE STAMINALI ADULTE
Le cellule staminali adulte di alcuni tessuti, se prelevate e coltivate in vitro,
possono essere indotte a differenziare in altri tipi cellulari, sia pure con bassa
efficienza (le staminali adulte si moltiplicano meno rapidamente di quelle
embrionali e possono essere mantenute in coltura per tempi limitati).
Il nucleo di una cellula completamente
differenziata
può
essere
riprogrammato
ritornando totipotente come quello delle prime
cellule embrionali per un processo di
sdifferenziamento del patrimonio genetico. Ciò
può avvenire solo quando il nucleo della cellula
differenziata viene trasferito nel citoplasma di
un ovocita enucleato.
ESPERIMENTI CHE DIMOSTRANO LA TOTIPOTENZA
DEL NUCLEO DELLA CELLULE DIFFERENZIATA.
La clonazione porterebbe al quasi annullamento
della
variabilità
genetica,
una
delle
caratteristiche fondamentali dei viventi da cui
dipendono la loro sopravvivenza ed evoluzione.
Dal 2006 le tecniche per produrre iPS (induced pluripotent stem
cells) sono notevolmente migliorate: possono essere prodotte in
grande quantità, sono state usate a fini terapeutici in modelli
animali di malattie umane ma anche per trasformare neuroni da
fibroblasti.
L’auspicio è di poter usare tali cellule per la terapia cellulare
sostitutiva di molte malattie umane soprattutto di tipo
degenerativo così come per il cancro, il morbo di Parkinson, le
lesioni traumatiche del midollo spinale e il diabete di tipo I.
Il cancro è una malattia delle cellule
staminali?