Cellule staminali adulte

Cellule Staminali Adulte
Lavoro svolto da Francesca Colombo, Virginia Casella e Alberto Basso
Classe 2^ B Liceo Classico Gabriello Chiabrera
INTRODUZIONE
Le cellule staminali sono cellule immature in grado di garantire allo stesso tempo
autorinnovamento e differenziamento.
L’autorinnovamento è una divisione cellulare simmetrica che attraverso la duplicazione del
patrimonio genetico (DNA) consente alle cellule figlie di mantenere le caratteristiche della
cellula madre.
Esso, tuttavia, non permette la formazione delle complesse e specifiche cellule del nostro
organismo che è invece garantita dal differenziamento per cui, grazie a una divisione
asimmetrica, la cellula figlia acquisisce caratteristiche diverse dalla cellula madre.
La cellula staminale è quindi una cellula in grado di replicarsi generando una progenie con le
stesse caratteristiche di potenzialità della cellula madre oppure con potenziale più ridotto che
gradualmente si differenzia generando cellule mature.
Abbiamo quindi accennato al diverso potenziale delle cellule, che va inteso non in riferimento
alla sua specializzazione, che in definitiva indica la funzione, bensì al tipo di progenie che può
generare.
In base ad una diversa potenzialità si distinguono cellule staminali:
-TOTIPOTENTI : cellule con potenzialità massima e in grado di generare tutti i tessuti,
compresa la placenta, dando origine ad un organismo completo.
-PLURIPOTENTI : cellule che, pur non avendo la capacità di formare un organismo,
mantengono un alto potenziale differenziativo potendo formare tutti i tessuti esclusi quelli
extra-embrionali come la placenta.
-MULTIPOTENTI : cellule specializzate nel differenziamento nelle sole solo cellule del
tessuto di cui fanno parte.
Oltre a questa distinzione le cellule staminali possono anche essere distinte in base alla loro
apparizione temporale durante lo sviluppo:
-LO ZIGOTE la prima cellula con potenziale totale che viene mantenuto fino allo stadio di otto
cellule.
-LA BLASTOCISTI che contiene quelle cellule definite ES (staminali embrionali) e che hanno
caratteristiche di pluripotenza. Essa si impianta poi nell’utero dove si sviluppa fino a formare
potenziale differenziativo in quanto sono in grado di produrre i derivati dei tre foglietti
germinativi (ectoderma, mesoderma ed endoderma; da essi si originano tutti i tessuti
dell’organismo) e quindi di generare staminali tessuto-specifiche oltre alle tipologie di cellule
funzionalmente mature che da esse derivano - si tratta delle oltre 250 grosse tipologie di
cellule presenti nel feto e nell’organismo adulto. Le cellule pluripotenti non possono
generare cellule dei tessuti extra-embrionali (trofoectoderma e placenta).
c) cui
multipotenti.
Sono tre
le foglietti
cellule staminali
adultedae cui
tessuto-specifiche
(dette
la cosiddetta gastrula in
si instaurano
germinativi
si origineranno
tuttianche
i
somatiche),
presenti
nei
diversi
tessuti
del
feto
e
dell’organismo
adulto
e
in
grado di
tessuti e gli organi.
differenziare solamente nei tipi cellulari del tessuto di cui fanno parte. Per esempio la cellula
-STAMINALI SOMATICHE
le quali
si dividono
in fetali,
che troviamo
in un feto
che maturi che
staminale
ematopoietica
differenzia
generando
gli 8 principali
tipie cellulari
concorrono all’accrescimento
degli
organi,È importante
e in adultesottolineare
che nell’individuo
adulto
oltre
a (del sangue,
compongono
il sangue.
che le cellule
staminali
adulte
della
pelle,
del
muscolo,
del
sistema
nervoso,
del
rene,
ecc),
sebbene
raggruppate
in
mantenere i tessuti, essendo multipotenti, costituiscono gli strati germinativi degli stessi
un’unica tipologia, comprendono categorie e definiscono ambiti di ricerca ben distinti, in
tessuti che sono capaciquanto
di rigenerarsi
continuamente
anche
dopo una
lesione.
a caratteristiche
delle cellule,
possibilità
del loro
isolamento ed espansione,
-PRECURSORI cellule potenzialità
che per quanto
riguarda
la potenzialità
hanno capacità uni o bipotente.
differenziativa
e potenziali
impieghi terapeutici.
Nelle che
diverse
tipologie didividersi
cellule staminali
presenti
nelle
varie uguali
fase dello
sviluppo
si assiste
-CELULE MATURE cellule
se possono
generano
solo
cellule
a se
stesse.
ad un graduale restringimento delle potenzialit à differenziative delle cellule.
Figura 3. Gerarchia della
potenzialità
differenziativa
delle cellule. In cima alla
piramide si trova lo zigote, in
grado di originare tutto un
individuo completo, inclusi gli
annessi embrionali. Le cellule
staminali embrionali o le cellule
iPS (derivate da processi di
riprogrammazione)
sono
pluripotenti, potendo originare
tutti i derivati dei tre foglietti
germinativi. A seguire, si trovano
le cellule staminali adulte
caratterizzate da uno stadio di
multipotenza, potendo originare
solo i derivati funzionali del
tessuto
di
origine
ed
i
precursori, cellule ad attività
proliferativa e differenziativa
ristretta ad uno o due tipi
funzionali. Infine, si ritrovano le cellule mature che, nei casi in cui possono dividersi, lo fanno soltanto per
generare altre cellule mature uguali a quelle di origine.
!
Cellule Staminali Pluripotenti :
Negli anni '50 Leroy Stevens scoprì l'insorgenza di tumori testicolari detti teratocarcinomi, le
cellule dei quali sono denominate cellule EC o cellule di “carcinoma embrionale”, in una
particolare specie di topi. Queste cellule venivano mantenute in vitro, ovvero in provetta, e poi
iniettate in embrioni di topo, allo stadio di blastocisti, attuando un procedimento che le
avviava a programmi differenziativi multipli, creando degli animali che derivavano in buona
parte da le cellule EC. In breve, le cellule tumorali venivano utilizzate per far sì che si
differenziassero e creassero gran parte dei tessuti e quindi degli organi dell'animale.
Nel 1981 vennero isolate alcune cellule ES (cellule staminali embrionali) dalla massa cellulare
presente nella blastocisti murine e vennero conservate in vitro in assenza di cambiamento, ma
mantenendo comunque la propria pluripotenza. Queste venivano poi reintrodotte
nell'embrione in fase di blastocisti, contribuendo alla formazione dei tessuti del topo. In
questo modo venne dimostrata la capacità delle cellule ES di differenziare sia in vitro sia in
vivo generando tessuti provenienti da tutti e tre i foglietti germinativi. Le cellule staminali
embrionali non originano però tessuti extra-embrionali poiché hanno un potenziale
minore rispetto allo zigote ( cellula totipotente).
Altra caratteristica delle cellule ES è quella di generare teratomi (se iniettate in topi
immunodeficienti), ovvero tumori benigni formati da cellule provenienti da tutti i foglietti
germinativi, totalmente o parzialmente differenziate.
Nel 1998 venne scoperta la possibilità di generare linee cellulari embrionali a partire da
blastocisti umane attraverso una procedura che ne provocava la distruzione. Queste cellule,
analogamente a quelle di topo, potevano generare cellule di tutti i tessuti a esclusione di
quelle extra-embrionali, anche se la conversione in cellule dei tessuti di organi
particolarmente complessi, come il cuore o il fegato, non è stata totalmente efficiente.
L'interesse per queste cellule deriva quindi dalla loro capacità di differenziarsi, caratteristica
che non è emulabile con staminali adulte.
%!
È stato inoltre dimostrato, grazie a studi in modelli animali, che le cellule ES possono trattare
con successo alcune malattie congenite, anche se non è da sottovalutare il rischio
dell'insorgenza di teratomi. Per questo motivo obiettivo della ricerca odierna è trapiantare
cellule già specializzate .
Nel 2006 in Giappone Shinaya Yamanaka riuscì a riprogrammare cellule adulte facendole
regredire allo stadio di cellule pluripotenti, denominate iPS (cellule staminali pluripotenti
indotte). Questo avviene grazie alla veicolazione di quattro geni legati alla pluripotenza
all'interno delle cellule già differenziate. L'espressione dei quattro geni attiva un processo di
“dedifferenziamento” che le fa regredire a cellule iPS, pluripotenti simili alle ES. Inizialmente
per la veicolazione dei geni era necessario l'utilizzo di vettori retrovirali, ma sono state
recentemente scoperte metodologie che non fanno uso di cellule virali e che danno quindi più
sicurezza al processo.
Le cellule iPS pur essendo molto simili alle cellule ES, non sono perfettamente identiche a
queste. Infatti derivando da cellule già differenziate mantengono una memoria epigenetica e
sono quindi predisposte al differenziare alcuni elementi cellulari. Uno sviluppo più recente
consente la conversione diretta da un tipo di cellula a un altro grazie all'introduzione di geni
specifici.
Cellule staminali adulte:
Le cellule staminali lavorano per garantire al nostro organismo il ricambio cellulare di cui
necessita, e infatti la loro concentrazione nei tessuti è tanto più abbondante quanto maggiore
è il ricambio cellulare richiesto dalle cellule, e quindi la loro capacità rigenerativa.
Sempre maggiore sta diventando l’interesse per le cellule staminali adulte, ovvero cellule che
!
si trovano indelletessuti
chedi siessedifferenziano
quelle
per l’occorrenza a livello
embrionali adulti
e, per alcune
le cui applicazioni nonda
richiedono
unaembrionali
forte
espansione in vitro, la capacità differenziativa resta notevole. Un esempio emblematico è
evolutivo. Le
prime
risultano
di
più
facile
accesso
e
sono
caratterizzate
da una notevole
rappresentato dalle cellule staminali ematopoietiche, probabilmente le cellule staminali
adulte
meglio
conosciute,
che
sono
state
oggetto
di
profonde
ricerche
di
base
e
cliniche.
Le
capacità differenziativa. Importanti sono i risultati applicativi di tali cellule, tra cui si
cellule staminali ematopoietiche possono essere isolate in modo prospettico (con anticorpi
distinguonospecifici),
le applicazioni
dellesiacellule
per il trattamento di
quindi arricchite e utilizzate
in trapianti ematopoietiche,
di tipo autologo che allogenicoimportanti
per il
trattamento di pazienti con immunodeficienze ereditarie, malattie autoimmuni o altre
pazienti conmalattie
problemi
livello
di sistema
immunitario
da altre patologie.
a carico delasistema
ematopoietico
per ricostituire
le diverse tipologieo
di affetti
cellule
ematiche e le difese del sistema immunitario. È stata inoltre riportata l’integrazione di HSC
in differenti tessuti (diverso dal tessuto ematopoietico) danneggiati dell’ animale, tuttavia in
qui
sotto
riportato,
trovano
cellule
staminalisi embrionali
molti casi
è stato
dimostrato chesiqueste
cellule invece
di transdifferenziare,
fondevano
con cellule tessuto-specifiche preesistenti, assumendone i connotati.
Nel disegno
adulte di specifici distretti
tissutali come il tessuto muscolare, la cornea, il cervello, le ossa e la cute.
Figura 8. Esempi di cellule staminali adulte presenti in specifici distretti tissutali. Sono indicate le cellule
staminali ematopoietiche presenti nel midollo osseo, le cellule staminali del cervello presenti nella zona Sub
Ventricolare (SVZ) del ventricolo laterale e nell’ippocampo, le cellule satellite del muscolo e le cellule staminali
della cornea residenti a livello del limbus. Nella pelle sono invece state identificate inizialmente tre tipi di cellule
staminali “specializzate” a livello dello strato basale (cellule staminali interfollicolari che ricostituiscono
l’epidermide), a livello del bulge (deputate alla crescita pilifera) e dell’istmo (deputate alla formazione delle
ghiandole sebacee). Più recentemente è stata individuata una nuova popolazione di cellule staminali comuni
dalla quale originano tutti gli altri tipi di staminali della pelle.
Da un punto di vista temporale, tra le cellule ES e quelle adulte si collocano le cellule
staminali fetali. Anch’esse sono definite multipotenti e adulte in quanto presenti nei tessuti
già specializzati. Si pensa che le cellule staminali ottenute da sangue e tessuti fetali abbiano
proprietà ed immunofenotipo simili a quelli delle cellule staminali isolate da tessuto adulto.
applicazioni terapeutiche. È bene ricordare tuttavia che, in molti casi, i protocolli di
!
Le ricerche finora condotte
suggeriscono
che le cellule
staminali
siano
plastiche
ottenimento
ed espansione
di cellule
staminalifetali
adulte
nonpiù
sono
consolidati. Con la sola
delle cellule staminali adulte e quindi possano avere un potenziale terapeutico maggiore.
eccezione delle staminali del sangue (spesso impiegate in trapianti diretti, senza
Anche il sangue da cordone ombelicale attira l’interesse come sito alternativo di
espansione nella
in vitro)medicina
e della pelle,
uno dei casiAnche
rari di isolamento
prospettico
cellule multipotenti da impiegarsi
rigenerativa.
la placenta,
che è ed espansione
Curiosamente
sono
definite
staminali
adulte
anche
le
cellule
fetali;
ciò
deriva
dal
fatto
che
coinvolta nel processo diillimitata
mediazione
della
tolleranza
contiene cellule
che
in vitro
senza
perdita fetale,
dellae siano
multipotenza,
inin tutti
glipossiedono
altrispecializzati,
casi di staminali adulte
abbiano
anch’esse
caratteristiche
di
multipotenza
presenti
tessuti
già
proprietà immunomodulatorie. Queste due caratteristiche possono dimostrarsi
spesso il prelievo
e la crescita in laboratorio ne alterano le caratteristiche.
come
le cellule
adulte.
fondamentali
per
future staminali
applicazioni
cliniche.
livello applicativo
la penaper
mettere
in luce
il maggiore
potenziale terapeutico
delle
UnAdiscorso
simile è vale
applicabile
le cellule
staminali
mesenchimali
(Mesenchymal
rispetto
a quello
delle
staminali
adulte.
La
tabella
1 riporta
una sintesipiùdelle
diverse tipologie
cellule staminali
e
Stem Cellstesse
o MSC)
che
stanno
raccogliendo
sempre
interesse
come dicellule
per
applicazioni terapeutiche.
È
bene
ricordare
tuttavia
che,
in
molti
casi,
i
protocolli
di
caratteristiche biologiche e di applicabilità clinica.
E’ bene
ricordare, infine,
che i protocolli
ottenimento
ed espansione
di queste
ottenimento
ed espansione
di cellule
staminalidi adulte
non sono
consolidati.
Con cellule
la solanon
sono
ancora
ben
consolidati,
giacché
può
verificarsi
la
perdita
della
loro
multipotenza
durante
eccezione delle staminali del sangue (spesso impiegate in trapianti diretti, senza
l’espansione
vitropelle,
e l’alterazione
dellerari
lorodicaratteristiche
se prelevateed
e cresciute
in
espansione
in vitro) e in
della
uno dei casi
isolamento prospettico
espansione
laboratorio.
illimitata in vitro senza perdita della multipotenza, in tutti gli altri casi di staminali adulte
spesso il prelievo e la crescita in laboratorio ne alterano le caratteristiche.
delle loro
La Qui
tabella
1 riporta
una sintesi
diverse tipologie
di cellule
cellulestaminali
staminali adulte
e delletraloro
riportiamo
le tabelle
relativedelle
alle caratteristiche
delle
cui
caratteristiche
biologiche
e di applicabilità
clinica.
quelle
fetali, quelle
del sangue, della
pelle e del cervello.
! ,24%45,$&1,&&/$%%6%$&
-7"8 ,3"%,9&
=@A! <&
! ,24%
45,$&
1,&
&
/$%
%
6%
$&
- 7"8 ,3"%
,9&
=@A! <&
,: ; &
: @! <ABC>DC! >E&
<; ) &
! " ##$#" %
&" ' ( #)%
" *% <; : >AF CGCDC! >E&
( *$#' " %
)+ + ( ' $, " %
"%
0#( 1' 23)14%
*)- " , " . /)( ' " %
: @! <ABC> DC! > E&
9<= >?9@5AB 5?%
<; : > AF CGCDC! > E&
C?%
H! CDCBB@&
) DCAC) @&
B @B %
DB ! @>D%
<==C) > ) C> &
) DCAC) > &
B @B %
DB ! @>D%
I > AC: @D> GCDC! > E&
J <A<! C) > &
@55?6 D%
) KC@: K<; <KL > BC@A<&
C?%
: @! <ABC> DC! > E&
! HI @KCJ <AC) @&
C?%
,: ; &
<; ) &
=$7"%,&
>16%7$&&1$%&
-"356$&
>16%7$&
1$%%"&2$%%$&
>16%7$&1$%&
/$*?$%%4&&
! "##$#"%&"'( #)%"*%
( *$#'"%)+ + ( '$,"%"%
*)- ",". /)( '"%
0#( 1'23)14%
5"11$4%&"'( #)%
6 )*2##2%211"2%2%1( . 7$"%
8",)&",)32%
9"##"%
! ",: "##2%
9<= >?9@5AB5?%
=$7"%
,&
C?%
5" 11$4%
&" ' ( #)%
9<= >?9@5AB 5?%
6 = <5?9@5AB 5?%
C?%
D%
1" 32. *( %
*" #%
' " 11$' 2%
*)%
2, )7). " %
H! CDCBB@&) DCAC) @&
B@B%DB! @>D%
9<=>>?9@5AB5?%
6 = <5?9@5AB5?%
6 =<5?9@5AB5?%
16%
7$&
&
1$%
&6 = <5?9@5AB5?%
> 16%
7$& 6 = <5?9@5AB5?%
> 16%
7$&
1$%
&
) 4*143"%
,&
- "356$&
1$%
%
"&
2$%
%
$&
/$*?$%
%
4&
&
D%1"32. *( %*"#%
C?%211" 2%2%1( . 7$" %
<?6 ?5D5D%
C?%
C?%
6 )*2##2%
'"11$'2%*)%2,)7).9""%
##" %
! " , : " ##2%
! 2, *2. " %
2+ ; " #)3( #" %
6 = <5?9@5AB 5?%
C5= E ?%E?%FDCA%?%%
B@B%DB! @>D%
C?%
I >AC: B@D>GCDC!
@B %
DB ! >E&
@>D%
J <A<! C) >&
@55?6 D%
C?%
@55?6 D%
<?6 ?5D5D%
C?%
C?%
: @! <ABC>DC! >E&
! HI @KCJ <AC)C?%@&
C?%
C?%
D<! = B ?%
! DC?%
6 = <5?9@5AB 5?%
6 = <5?9@5AB 5?%
C?%
C?%
C?%
C?%
B @B %
DB ! @>D%
C?%
B @B %
DB ! @>D%
<?6 ?5D5D%
C?%
<?6 ?5D5D%
B@B%DB!
@>D%
C?%
@55?6 D%
! 2,*2. "%2+ ; "#)3( #"
6 = <5?9@5AB5?%
B@%
8" , )&" , )32%
<==C) >)C5=C>&
) DCAC)
>& ?%%
E ?%
E ?%
FDCA%
) KC@: K<; <KL >BC@A<&
) 4*143"%,&
C?%
<?6 ?5D5D%
C?%
C?%
<?6 ?5D5D%
<?6 ?5D5D%
C?%
C?%
C?%
B @B %
@CCA>GD5@%
C?%
<?6 ?5D5D%
@CCA>GD5@%
C?%
B@B%DB! @>D%
C?%
B@B%DB! @>D%
C?%
<?6 ?5D5D%
<?6 ?5D5D%
B @%
<?6 ?5D5D%
C?%
C?%
D<! = B?%! DC?%
B @B %
6 = <5?9@5AB 5?%
C?%
C?%
C?%
B@B%@CCA>GD5@%
C?%
C?%
<?6 ?5D5D%
C?%
C?%
B@B%@CCA>GD5@%
B@B%@CCA>GD5@%
C?%
B@B%
B @B %
@CCA>GD5@%
B @B %
@CCA>GD5@%
@CCA>GD5@%
Tabella 1. Caratteristiche delle principali tipologie di cellule staminali.
Tabella 1. Caratteristiche delle principali tipologie di cellule staminali.
$%
%
"&
' (&
) "*"+ $*,- . /0$&
1$%
%
$&
2*,3/,2"%
,&
. 24%
45,$&
1,&
/$%
%
6%
$&
- 7"8 ,3"%
,(&
&
! "#$%%"&'(&) "*"+ $*,-. /0$&1$%%$&2*,3/,2"%,&. 24%45,$&1,&/$%%6%$&-7"8 ,3"%,(&&
" +!
!
"