Indice
Capitolo 1 - Le cellule staminali
1.1 Cenni Storici ..........................................................................................................2
1.2 Definizione di cellula staminale ..............................................................................5
Letture consigliate ........................................................................................................6
Capitolo 2 - Cellule staminali pluripotenti e riprogrammazione
2.1 Cellule staminali embrionali ...................................................................................7
Ottimizzazione delle condizioni di coltura...............................................................9
2.2 Cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) ....................................................... 10
2.3 Applicazioni delle cellule staminali pluripotenti ................................................... 13
2.4 Il trasferimento nucleare (Somatic Cell Nuclear Transfer - SCNT) ..................... 14
2.5 Il differenziamento diretto da cellula somatica adulta ........................................... 15
2.6 Il caso delle cellule STAP ..................................................................................... 16
Letture consigliate ...................................................................................................... 17
Capitolo 3 - Le cellule staminali “adulte”
3.1 Caratteristiche biologiche .................................................................................... 20
3.2 Cellule staminali mesenchimali ........................................................................... 21
3.3 Plasticità: che cos’è?............................................................................................... 24
3.3.1. Plasticità: possibili meccanismi ..................................................................... 25
3.3.2. Cellule staminali tessuto-specifiche presenti in differenti organi .................. 25
3.3.3. Plasticità come risultato della fusione delle cellule del donatore
con le cellule residenti ............................................................................................ 26
3.3.4. Cellule che vanno incontro a de-differenziamento e ridifferenziamento ...... 26
3.3.5. Vere e proprie cellule staminali che persistono nella vita post-natale............ 27
3.4 Il tessuto adiposo come fonte di cellule staminali ................................................ 28
3.4.1. Applicazioni delle ADSC ............................................................................. 31
3.5 Potenziali utilizzi delle cellule staminali adulte ..................................................... 31
3.5.1. Biologia di base delle cellule staminali .......................................................... 31
3.5.2. Utilizzo delle cellule staminali adulte per il trattamento
di malattie genetiche o degenerative....................................................................... 32
xiv
Cellule Staminali
Letture consigliate ...................................................................................................... 34
Capitolo 4 - Cellula staminale emopoieticae trapianto di midollo osseo
4.1 La cellula staminale emopoietica .......................................................................... 35
4.2 Studio della proliferazione/differenziazione della HSC ........................................ 39
4.3 La nicchia emopoietica ......................................................................................... 39
4.4 Struttura cellulare e meccanismi molecolari del microambiente ........................... 41
4.5 Fattori solubili che agiscono all’interno della nicchia ............................................ 42
4.6 Il trapianto di midollo osseo ................................................................................. 43
4.6.1. Il trapianto mieloablativo ............................................................................. 45
4.6.2. Il trapianto a dosi ridotte di chemioterapia
(“Reduced Intensity Conditioning” o RIC) ........................................................... 46
4.6.3. Il trapianto non-mieloablativo (che alcuni chiamano “mini-trapianto”) ....... 46
4.6.4. GVHD ......................................................................................................... 47
Letture consigliate ...................................................................................................... 49
Capitolo 5 - Sistema vascolare e cellule staminali del sistema vascolare
5.1 Origine embriologica del sistema vascolare........................................................... 51
5.2 Controllo trascrizionale della specificazione vascolare .......................................... 53
5.3 Struttura del sistema vascolare adulto ................................................................... 57
5.4 La cellula endoteliale: morfologia ......................................................................... 60
5.5 La cellula endoteliale: funzioni ............................................................................. 62
5.6 Marcatori fenotipici delle cellule endoteliali ........................................................ 64
5.7 Progenitori endoteliali circolanti dell’adulto ......................................................... 64
5.8 Metodi di isolamento dei progenitori endoteliali umani ....................................... 68
5.9 La nicchia staminale della parete vascolare ......................................................... 69
5.10 Progenitori e cellule staminali residenti nella parete vascolare ........................... 70
5.11 Le cellule muscolari lisce..................................................................................... 72
5.12 Progenitori delle cellule muscolari ...................................................................... 73
5.13 Altri citotipi vascolari.......................................................................................... 73
5.14 La transizione endotelio-mesenchimale.............................................................. 74
5.15 Cellule staminali vascolari derivate mediante tecniche di riprogrammazione ..... 74
5.16 Meccanismi di comunicazione della unità tessutale funzionale .......................... 75
Letture consigliate ...................................................................................................... 76
Capitolo 6 - Cellule staminali e Cardiogenesi
6.1 Cardiogenesi ......................................................................................................... 79
6.2 Determinazione Cardiaca ..................................................................................... 80
6.3 Terapia con cellule staminali nella disfunzione cardiaca ........................................ 83
6.4 Cellule di derivazione extra-cardiaca .................................................................... 83
6.5 Stem Cell Delivery ............................................................................................... 87
6.6 Differenziamento cardiomiogenico utilizzando strategie innovative .................... 88
Letture consigliate ...................................................................................................... 94
Indice
xv
Capitolo 7 - Cellule staminali e sistema muscolare
7.1 Miogenesi ............................................................................................................. 95
7.1.1. Segnali molecolari della miogenesi .............................................................. 97
7.1.2. Precursori muscolari prenatali e onde differenziative ................................... 99
7.1.3. Prima fase della miogenesi ......................................................................... 100
7.1.4. Seconda fase della miogenesi ..................................................................... 101
7.1.5. Somitogenesi ............................................................................................. 101
7.1.6. Miogenesi del tronco e della testa .............................................................. 102
7.1.7. Miogenesi adulta ....................................................................................... 102
7.2 Cellule staminali nella rigenerazione muscolare .................................................. 104
7.2.1. MicroRNA e sviluppo miogenico ............................................................... 104
7.3 Terapia genica e cellulare nelle patologie muscolari ............................................ 105
7.3.1. Modelli animali .......................................................................................... 106
7.3.2. Modelli cellulari per la rigenerazione del muscolo scheletrico .................... 107
7.4 Conclusioni e prospettive .................................................................................... 114
Ringraziamenti ......................................................................................................... 115
Letture consigliate .................................................................................................... 116
Capitolo 8 - Cellule staminali e rigenerazione cartilaginea
8.1 Tessuto cartilagineo o cartilagine ........................................................................ 119
8.2 Caratteristiche strutturali della cartilagine articolare .......................................... 119
8.3 Lesioni ed alterazioni traumatiche della cartilagine ............................................ 122
8.4 Medicina rigenerativa: nuova frontiera nel trattamento di lesioni alla cartilagine 124
8.5 Le cellule mesenchimali per la rigenerazione cartilaginea................................... 127
Letture consigliate .................................................................................................... 131
Capitolo 9 - Cellule staminali e rigenerazione ossea
9.1 Il tessuto osseo .................................................................................................... 133
9.2 La scoperta di una nuova popolazione di cellule staminali del midollo osseo:
le cellule staminali dello stroma ................................................................................ 135
9.3 La nicchia staminale del midollo osseo: una definizione più approfondita ........ 139
9.4 Le cellule stromali del midollo osseo come cellule della parete vascolare:
la teoria dei periciti ................................................................................................... 140
9.5 La rigenerazione ossea ........................................................................................ 141
Letture consigliate .................................................................................................... 149
Capitolo 10 - Cellule staminali del dente
10.1 Sviluppo e rigenerazione del dente.................................................................... 151
10.2 Cellule staminali del dente ................................................................................ 152
10.3 Riparazione e rigenerazione del dente............................................................... 154
10.4 Cellule staminali e nanotecnologie.................................................................... 155
10.5 Conclusioni e prospettive .................................................................................. 156
Letture consigliate .................................................................................................... 156
xvi
Cellule Staminali
Capitolo 11 - Rigenerazione della cute
11.1 La cute come organo: istologia e ruolo.............................................................. 157
11.1.1. Derma....................................................................................................... 158
11.1.2. Giunzione dermo-epidermica .................................................................. 160
11.1.3. Epidermide ............................................................................................... 161
11.2 Cellule staminali cutanee .................................................................................. 163
11.2.1. Componente staminale nel derma ............................................................ 163
11.2.2. Cellule staminali epidermiche .................................................................. 164
11.3 Meccanismi di riparazione tissutale .................................................................. 168
11.3.1. Alterazioni del processo di guarigione ...................................................... 170
11.3.2. Riparazione e rigenerazione ...................................................................... 171
11.4 Applicazione clinica dell’ingegneria tissutale per la cura della cute ................... 173
11.4.1. Inquadramento normativo ........................................................................ 175
11.4.2. Le cellule come farmaci e l’evoluzione delle colture cellulari ................... 176
11.4.3. Derma ingegnerizzato .............................................................................. 179
11.4.4. Epidermide ingegnerizzata ....................................................................... 181
Letture consigliate .................................................................................................... 185
Capitolo 12 - Rigenerazione della cornea
12.1 Introduzione ..................................................................................................... 189
12.2 Terapia della cornea .......................................................................................... 190
12.3 Localizzazione/identificazione delle cellule staminali ....................................... 190
12.4 Predittività della efficacia clinica (potency marker) ........................................... 192
12.5 Selezione del carrier/supporto........................................................................... 194
12.6 Razionale terapeutico ........................................................................................ 194
12.7 Tecniche alternative .......................................................................................... 196
12.8 Selezione dei pazienti........................................................................................ 197
12.9 Protocollo Clinico e Studi Retrospettivi ........................................................... 199
12.10 Controlli di Processo ....................................................................................... 200
12.11 Risk-Based Approach ..................................................................................... 201
12.12 La necessità di associazione tra pubblico e privato .......................................... 203
Conclusioni ............................................................................................................... 204
Ringraziamenti ......................................................................................................... 205
Letture consigliate .................................................................................................... 206
Capitolo 13 - Cellule staminali e microambiente gastrointestinale
13.1 Organizzazione strutturale dei tessuti gastrointestinali ..................................... 209
13.2 Cellule staminali intestinali............................................................................... 210
13.2.1. Origine dell’epitelio intestinale ................................................................. 210
13.2.2. Organizzazione strutturale e cellulare cripta-villo .................................... 211
13.2.3. Identificazione e localizzazione delle cellule staminali intestinali ............. 214
13.3 Cellule staminali intestinali e nicchia di staminalità ......................................... 217
13.4 Marcatori molecolari e meccanismi di regolazione
delle cellule staminali intestinali ............................................................................... 218
Indice
xvii
13.4.1. Wnt signaling ........................................................................................... 218
13.4.2. Notch signaling ........................................................................................ 221
13.4.3. BMP signaling.......................................................................................... 222
13.4.4. Hedgehog signaling .................................................................................. 223
13.4.5. Interazione tra signaling molecolari e determinazione
della nicchia di staminalità ................................................................................... 224
13.5 Colture di cellule staminali intestinali in vitro .................................................. 225
Letture Consigliate ................................................................................................... 227
Capitolo 14 - Cellule staminali, progenitori pancreatici e terapie rigenerative per il diabete
14.1 Introduzione ..................................................................................................... 229
14.2 Sviluppo embrionale del pancreas ..................................................................... 230
(a) Formazione dell’endoderma e dell’intestino primitivo .................................... 230
(b) Specificazione del pancreas ............................................................................. 233
(c) Commissionamento dei progenitori pancreatici endocrini ed esocrini............ 235
(d) Differenziamento verso le cellule β delle isole pancreatiche ........................... 235
(e) Maturazione funzionale delle cellule β............................................................ 238
14.3 Cellule staminali, progenitori ed altre sorgenti di cellule β
per la terapia del diabete .......................................................................................... 240
Differenziamento di ESC ed iPSC verso cellule β .............................................. 241
Generazione di cellule β ....................................................................................... 244
Generazione di cellule β a partire da cellule insulari ............................................ 244
Generazione di cellule β a partire da cellule pancreatiche acinari e duttali........... 245
Generazione di cellule β a partire da cellule progenitrici del pancreas adulto ...... 246
Conclusioni e prospettive future........................................................................... 248
Glossario ................................................................................................................... 249
Referenze bibliografiche ........................................................................................... 250
Capitolo 15 - Cellule staminali e fegato
15.1 Caratteristiche morfologiche e funzionali del fegato ........................................ 253
15.2 Sviluppo embrionale del fegato ......................................................................... 254
15.3 Rigenerazione epatica e cellule progenitrici ...................................................... 256
15.3.1. Turnover fisiologico .................................................................................. 256
15.3.2. Rigenerazione in seguito a danno acuto.................................................... 257
15.3.3. Rigenerazione in seguito a danno cronico ................................................ 258
15.4 Trapianto di cellule staminali per la rigenerazione del fegato............................ 259
15.4.1. Utilizzo di cellule staminali per la riduzione della fibrosi ......................... 260
15.4.2. Differenziamento di cellule staminali in epatociti e possibili applicazioni 261
Letture consigliate .................................................................................................... 265
Capitolo 16 - Neurogenesi nel cervello adulto
16.1 Fine di un dogma: il tessuto nervoso non è formato solo da cellule “perenni” .. 267
16.2 Neurogenesi costitutiva nel cervello adulto ....................................................... 268
xviii
Cellule Staminali
16.2.1. La nicchia neurovascolare ......................................................................... 271
16.2.2. Sistema SVZ-OB ..................................................................................... 272
16.2.3. Sistema SGZ-DG .................................................................................... 274
16.2.4. Altre aree .................................................................................................. 276
16.3 Neurogenesi endogena: possibile significato e sua regolazione.......................... 278
16.4 Il sistema delle neurosfere (neural stem cells in vitro): possibilità e limiti ......... 281
Letture consigliate .................................................................................................... 282
Capitolo 17 - Utilizzo delle cellule mesenchimali stromali nel controllo del rigetto dei
trapianti
17.1 Cellule mesenchimali stromali:
caratteristiche funzionali ed immunofenotipiche ...................................................... 287
17.2 Funzioni immunologiche delle MSC ................................................................ 289
17.3 Indoleamina 2,3-diossigenasi (IDO) ................................................................ 290
17.4 L’antigene HLA-G .......................................................................................... 291
17.5 Impiego clinico delle MSC ............................................................................... 292
17.6 Le infezioni microbiologiche nelle MSC ......................................................... 294
Letture consigliate ................................................................................................... 295
Capitolo 18 - Cellule staminali placentari
18.1 Lo sviluppo embriologico ................................................................................. 299
18.2 La placenta definitiva ....................................................................................... 301
18.3 Struttura della placenta umana a termine.......................................................... 301
18.4 La funzione della placenta ................................................................................ 303
18.5 La placenta come sorgente di cellule staminali ................................................. 304
18.5.1. Cellule mesenchimali stromali da membrane fetali umane ....................... 304
18.5.2. Cellule epiteliali da membrana amniotica ................................................. 306
18.5.3. Cellule mesenchimali da cordone ombelicale ........................................... 308
18.5.4. Caratteristiche immunologiche delle cellule derivate dalla placenta ........ 309
18.6 Potenziale applicativo delle cellule derivate da membrane fetali ....................... 311
18.7 Cellule staminali derivate dalla placenta e medicina rigenerativa ...................... 312
Letture consigliate .................................................................................................... 314
Capitolo 19 - Le cellule staminali del cancro
19.1 Premessa ........................................................................................................... 317
19.2 CSC: dalla teoria alla identificazione della cellula............................................. 318
19.3 CSC: dall’isolamento della cellula al modello in vitro ....................................... 321
19.4 CSC: una anomalia del programma staminale .................................................. 323
19.5 Ruolo della transizione epitelio-mesenchima
e della ipossia nella eterogeneità intra-tumorale ....................................................... 325
19.6 La dipendenza infiammatoria delle CSC .......................................................... 328
19.7 Concetti finali ................................................................................................... 330
Letture consigliate .................................................................................................... 331
