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.
Come avviene questo fenomeno?
Asimmetria ambientale: da una
cellula staminale si originano due cellule
uguali che si differenzieranno per fattori
ambientali o casuali.
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
retina
cervello
seno
pelle
intestino
testicoli
muscoli
midollo
rosso
La funzione e l'identità di una cellula
staminale è controllata:
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:
●
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.
•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
Alcuni esempi di fattori di trascrizione:
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.
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.
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:
Lupus Eritematoso Sistemico (LES)
Eziologia autoimmune
Coinvolgimento di tutti gli apparati
Presenza di lesioni cutanee “a farfalla”
Malattie del sistema immunitario:
Lupus Eritematoso Sistemico (LES)
• Terapia convenzionale
farmacologica
• Trapianto di staminali
emopoietiche
rigenerazione 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:
Sindrome da Immunodeficienza Acquisita
(AIDS)
Deplezione di linfociti-T
infezioni da microrganismi
insorgenza di tumori
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:
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:
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:
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:
Osteopetrosi
Delle sperimentazioni compiute su un particolare ceppo di
topi hanno condotto a risultati incoraggianti che aprono
diverse possibilità terapeutiche.
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:
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:
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:
Diabete mellito di tipo 1
1.
2.
3.
produzione in vitro di cellule insulino-secernenti
migliorare il rapporto nel metabolismo glicidico
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)
2)
3)
4)
Potenziale cura delle malattie degenerative del sistema nervoso (morbo di
Parkinson, morbo di Alzheimer, sclerosi multipla, sclerosi laterale
amiotrofica)
Ricostruzione del midollo spinale danneggiato da traumi fisici
Malattie muscolo-scheletriche
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
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 2006 - 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
