Cellule staminali neurali: costruire il cervello e, forse, ripararlo
Silvia Nicolis
Dipartimento di Biotecnologie e Bioscienze, Università di Milano-­Bicocca
Il sistema nervoso centrale Il sistema nervoso è costituito di neuroni e glia
Esistono moltissimi tipi di neuroni diversi
Ippocampo Corteccia cerebrale Cervelletto Esistono malattie che colpiscono specifici tipi di neuroni
Midollo spinale Il cervello non rigenera: i neuroni persi (per malattia, o vecchiaia) non vengono (normalmente..) rimpiazzati.
Alzheimer
Pick’s
prion
Parkinson’s
Machado (ataxin 3)
• L’interesse per le cellule staminali neurali nasce dall’ipotesi di poter utilizzare queste cellule per riparare i danni del cervello e del tessuto nervoso.
Neuroni e glia (di ogni tipo) sono prodotti da cellule staminali neurali
Cellule Staminali Neurali
NEURONI
ASTROCITI
OLIGODENDROCITI
“SELF-­ RENEWAL”
DIFFERENZIAMENTO
una cellula staminale può produrre molte cellule staminali uguali a se stessa
Una cellula staminale puo’
differenziare in tipi cellulari altamente specializzati
Dove si trovano le cellule staminali neurali?
Il sistema nervoso dell’embrione in via di sviluppo
È inizialmente un “tubo neurale”, che progressivamente cresce e si diversifica in regioni distinte Il sistema nervoso dell’embrione in via di sviluppo contiene cellule staminali neurali, che progressivamente generano i neuroni e la glia
Cervello embrionale in sezione: “zona ventricolare”
Neurone
Zona dei neuroni
(differenziati, non si
dividono) tempo
Cellula staminale neurale marcata
(virus GFP)
zona ventricolare
(cellule che si dividono)
Lo sviluppo embrionale delle cellule staminali neurali “costruisce” il cervello in successive fasi specifiche
1. Fase di espansione
Le cellule, ancora indifferenziate, aumentano di numero
2. Fase di produzione dei neuroni
3. Fase di produzione della glia
Parete del tubo neurale
Cellule staminali Temple S.et al. (2001), Nature 414, 112
Nell’embrione, le cellule staminali neurali ricevono istruzioni-­segnali molecolari, che ne specificano il destino
Segnale 1
Tubo neurale
Segnale 2
Neuroni dorsali (interneuroni)
Neuroni ventrali (neuroni motori)
Nell’embrione, le cellule staminali neurali ricevono istruzioni-­segnali molecolari, che ne specificano il destino
Segnali:
FGF-­8
Shh
Nurr-­1 recettore
Cellule staminali
Del tubo neurale
Neuroni produttori di DOPAMINA nel mesencefalo
La morte di questi neuroni nel cervello adulto
causa la malattia di Parkinson
Kim J.-­H. et al. (2002), Nature 418, 50
Nuovi neuroni vengono prodotti anche nel cervello adulto in numeri limitati, e in regioni specifiche:
Ippocampo
Ventricolo laterale
uomo
topo
Cellule staminali neurali si moltiplicano e producono nuovi neuroni in alcune regioni del cervello adulto
ippocampo
I nuovi neuroni nel cervello adulto sono prodotti da cellule staminali neurali adulte
Ippocampo
GFAP+
Nestin+
GFAP+ precursor-­ derived neurons Ventricolo laterale
Doetsch F., 2003
Fukuda S. et al., 2003
Kempermann G. et al., 2004
Ippocampo: connesso con la iniziale formazione della memoria
La produzione di nuovi neuroni da parte
delle cellule staminali nell’ippocampo adulto
appare richiesta per aspetti della memoria
-­ consolidamento-­trasferimento alla corteccia
-­“pattern separation”
Deng W, Aimone JB and Gage FH Nat. Rev. Neurosci. 11:339, 2010
Le cellule staminali neurali adulte residenti possono essere stimolate a produrre nuovi neuroni persi a seguito di danni Ischemia (Interruzione del flusso sanguigno) (in topo)
Infusione nel cervello (spazio ventricolare) di FGF-­2 + EGF
(molecole segnale attive durante lo sviluppo embrionale)
Morte di neuroni ippocampali CA1
Moltiplicazione di cellule staminali della zona periventricolare
Migrazione al sito del danno
Rigenerazione limitata dei neuroni persi (di tipo NON normalmente prodotto nell’adulto!)
Parziale recupero funzionale
Nakatomi et al. (2002) Cell 110, 429
Cellule staminali neurali adulte dell’ippocampo, perse in un modello animale di malattia genetica, possono essere recuperate somministrando molecole-­segnale appropriate
Mutazione nel gene Sox2
Perdita cellule staminali
Perdita molecola-­segnale Shh
Somministrazione farmaco
che mima l’azione di Shh
(topo)
Recupero (parziale) cellule staminali
normale
mutante
Difetto ippocampale
(topo;;uomo)
Recupero (parziale) ippocampo
Mutante +
farmaco
Cellule staminali
ippocampo
Recupero
Favaro R et al., Nat. Neurosci. 2009
Le cellule staminali neurali possono essere coltivate in vitro
Cellule staminali neurali dal cervello in via di sviluppo possono essere coltivate in vitro
Neuroni, astroglia,
Cervello embrionale in sezione: “zona ventricolare”
Coltura in vitro
neurosfera
Espansione Self-­renewal
differenziamento
GRANDI NUMERI di cellule staminali possono essere ottenuti in coltura, partendo da poche cellule di cervello embrionale
oligodendroglia
Cellule staminali dal cervello adulto possono essere coltivate in vitro (topo;; uomo),
ma sono difficili da ottenere nell’uomo
OB
RMS
DG
Coltura
Neuroni, glia
Le cellule staminali embrionali (ES) generano tutti i tipi cellulari, inclusi i neuroni, in vivo e in vitro: sono pluripotenti
Iniezione in blastocisti Differenziazione in vitro
differenziamento in vivo ES
Topo chimerico (le cellule ES contribuiscono a TUTTI i tessuti)
Cultura cellule Massa cellulare Embrione interna blastocisti
Precoce
(blastocisti)
Cellule ES in vitro
MOLTIPLICAZIONE in vitro nello stato pluripotente
Sangue
Neuroni
Glia
Muscolo
Oociti
Blastocisti?
GRANDI NUMERI di cellule ES
Possono essere ottenuti per moltiplicazione in vitro, e differenziati a
neuroni Cellule pluripotenti simili a ES possono essere ottenute mediante riprogrammazione
di cellule differenziate
Cellule iPS (induced pluripotent Stem Cells) da topo e uomo
Cellule iPS “self” , riprogrammabili da cellule del paziente stesso
• Riprogrammazione di cellule del paziente: • 1) grandi numeri di cellule
• 2) si supera il problema dell’incompatibilità immunologica fra individui diversi (donatore e paziente)
• MA:
• Se il paziente soffre di una malattia ereditaria, le cellule riprogrammate mantengono il difetto.
In cellule ES e iPS, geni portatori di mutazioni-­
malattia possono essere “riparati”, mediante sostituzione con una copia sana
Gene malato
Gene sano
(copia)
Gene sano
-­
-­
-­
-­
derivazione cellule iPS
“cura” genetica
differenziazione in vitro trapianto
sostituito al gene malato
Quindi, si possono ottenere cellule staminali “curate” del paziente, per un trapianto.
Hanna J et al., Science 2007 Le cellule ES possono essere programmate a produrre neuroni specifici, utilizzando le stesse istruzioni molecolari attive nell’embrione
FGF-­8, Shh
(proteine-­
(sviluppo embrionale) segnale)
In vivo:
Proteina Nurr-­1
Neuroni produttori di Dopamina (TH+)
+FGF8
+Shh
In vitro
cellule ES
+Transgene-­
esprimente Nurr-­1
Differenziazione in vitro
Cellule staminali mesencefaliche
Neuroni produttori di Dopamina (TH+)
TRAPIANTO in modello di topo di malattia di Parkinson
RECUPERO funzionale parziale
Kim J.-­H. et al. (2002), Nature 418, 50
Neuroni dopaminergici ottenuti in coltura da cellule ES di topo, trapiantati in un modello (topo) di malattia di Parkinson, attecchiscono e curano, in parte, la malattia +FGF8 +Shh
In vitro
cellule ES
+Transgene-­
exprimente Nurr-­1
Differenziazione in vitro
Cellule staminali mesencefaliche
Neuroni produttori di Dopamina
In vivo
In vitro
TRAPIANTO nel cervello in modello di topo di malattia di Parkinson (in striato)
Le cellule attecchiscono nel cervello ospite e producono Dopamina
RECUPERO
funzionale parziale
Cellule differenziate (fibroblasti) possono anche essere riprogrammate direttamente a neuroni
Vierbuchen T et al., Nature 2010
Cellule non neurali possono essere riprogrammate a neuroni di tipo specifico in vivo, tramite fattori trascrizionali normalmente attivi durante lo sviluppo Amamoto R and Arlotta P, Science 2014, 343:
Cellule non neurali possono essere riprogrammate a neuroni di tipo specifico in vivo, tramite fattori trascrizionali normalmente attivi durante lo sviluppo Astrociti, periciti,
epatociti
Neuroni di tipo
specifico
Amamoto R and Arlotta P, Science 2014, 343:
Cellule non neurali possono essere riprogrammate a neuroni di tipo specifico in vivo, tramite fattori trascrizionali normalmente attivi durante lo sviluppo Amamoto R and Arlotta P, Science 2014, 343:
Cellule staminali come modello
Una mutazione genica, che porta a malattia dei neuroni (SLA), agisce in realtà tramite la glia
Ipotesi : la glia SOD39A (mutata) manda segnali tossici ai neuroni. Possiamo identificarli, e progettare farmaci che li neutralizzino?
La glia normale, trapiantata in topi mutanti SOD39A, protegge i neuroni dalla malattia.
Ipotesi: segnali di neuroprotezione? Possiamo identificarli, e progettare farmaci
che ne mimino l’azione?
Le cellule staminali neurali e i neuroni ottenuti in vitro possono curare la perdita di neuroni dovuta a malattia?
Strategie di trapianto
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Rimpiazzare neuroni persi con neuroni ottenuti in vitro
Trapiantare cellule staminali come sorgente di “farmaci”(neuroprotezione, anti-­infiammazione)
Quali sono le cellule “giuste” da trapiantare?
