LE CELLULE STAMINALI:
dalla ricerca di base alle applicazioni
Perché ci troviamo oggi a parlare
delle cellule staminali?
• Driesch (fine ‘800) dimostra la totipotenza
dei blastomeri dell’embrione precoce di
riccio di mare
2 o 4 piccole larve
Isolamento di blastomeri
(stadio di 2 o 4 cellule)
Caratteristiche generali
• Hanno
Tutte queste
grandecaratteristiche
potenziale proliferativo
e la possibilità di
manipolarle
e geneticamente rendono le
• Sono
capaci fisicamente
di autorinnovamento
cellule staminali
oggetto
di estremo
interesse in
• Possiedono
ampie
potenzialità
differenziative:
diversi campi di ricerca e di terapia clinica, grazie
– Totipotenza
alle
attuali sofisticate tecnologie.
– Pluripotenza
Nel
contempo, la trasposizione delle ricerche dagli
– Multipotenza
“animali” all’uomo, introduce implicazioni etiche che
• Sono
presenti
in tuttistessa
gli stadi
di sviluppo:
pongono
la ricerca
al centro
dell’interesse di
– Embrionale
(ESC)
altre
discipline
(anche non scientifiche).
– Fetale (FSC)
– Adulto (ASC)
• Provvedono:
– allo sviluppo embrionale e fetale
– alla rigenerazione ed all’omeostasi di organi adulti
Segmentazione nei mammiferi ed
origine delle ESC
Destino delle popolazioni cellulari
della blastocisti
Stadi di
sviluppo e
potenziale
differenziativo
• L’uovo fecondato e gli stadi
embrionali a 2 e 4 cellule sono
totipotenti e possono dare
origine ad ogni tipo di cellula.
• Le cellule della massa cellulare
interna della blastocisti sono
pluripotenti perché possono
dare origine a tutti i tipi cellulari
dell’embrione, ma non ai
tessuti extraembrionali
Cellule staminali
embrionali (ESC)
Cellule staminali embrionali (ESC)
• Edwards (1967): da blastocisti di coniglio vengono
ottenute cellule che, coltivate in vitro, formano aggregati
(embryoid bodies) o monostrati che possono essere
propagati per diverse generazioni e congelati.
Evans e Kaufman (1981): coltivano blastocisti
di topo, ottenendo ESC pluripotenti.
• Una cellula è pluripotente se:
– È capace di formare “embryoid bodies”
– È capace di formare teratocarcinomi se
iniettata in un organismo ospite
– È capace di formare chimere se iniettata in
una blastocisti ospite
Science, Vol 282, Issue 5391, 1145-1147 , 6 November 1998
Embryonic Stem Cell Lines Derived from
Human Blastocysts
James A. Thomson, * Joseph Itskovitz-Eldor, Sander S. Shapiro, Michelle A.
Waknitz, Jennifer J. Swiergiel, Vivienne S. Marshall, Jeffrey M. Jones
“…These cell lines should be useful in human developmental biology,
drug discovery, and transplantation medicine.”
Cellule staminali pluripotenti umane
(ESC, EGC,ECC)
ESC
EGC
ECC
Caratteristiche delle ESC
• Le caratteristiche principali
delle cellule staminali
embrionali sono dunque la
pluripotenza e la capacità di
auto rinnovarsi
• Tra i meccanismi molecolari
dell’autorinnovamento e del
mantenimento della
pluripotenza sembrano
svolgere un ruolo chiave le
modificazioni alla struttura
della cromatina.
Struttura della cromatina nelle ESC
L’organizzazione strutturale della cromatina
influisce sulla funzionalità del genoma modulando
l’affinità dei regolatori trascrizionali con i loro
bersagli.
• Nelle ESC la cromatina è
prevalentemente
decondensata
(eucromatina) e ricca di
modificazioni istoniche
attive
• Con il differenziamento
si accumulano regioni di
eterocromatina,
contenenti modificazioni
istoniche repressive
Le proprietà delle cellule
staminali di pluripotenza
self-renewal
sono legate anche alla capacità
di effettuare divisioni cellulari
simmetriche e asimmetriche
Applicazioni terapeutiche delle ESC
Applicazioni terapeutiche delle ESC
Trapianto cellulare
L’approccio terapeutico con ESC è promettente per il
trattamento di patologie caratterizzate da un’estesa
morte cellulare, soprattutto a carico di tessuti “perenni”
o resi incapaci di rigenerare:
– Malattie neurodegenerative (AD, PD, HD etc.)
– Distrofie muscolari
– Malattie cardiache (infarto, ischemia, malattie coronariche
croniche, etc.)
– Leucemie
– AIDS
– Malattie genetiche
Ma quale fonte utilizzare per produrre hESC?
Derivazione di linee di hESC
POSSIBILI FONTI DI hESC
• Utilizzo di embrioni
“soprannumerari” derivanti
da IVF
• Produzione di embrioni
tramite trasferimento
nucleare da cellule
somatiche di paziente in
oociti di donatrici
(“clonazione terapeutica”)
•
•
•
•
•
•
PROBLEMATICHE ETICHE E
SOCIALI
Consenso informato per chi dona gli
oociti
La blastocisti è già un essere umano
o solo un insieme di cellule?
La clonazione “terapeutica” è
veramente diversa da quella
“riproduttiva”?
Le cellule staminali “clonate” possono
costituire una terapia realistica? Solo
per pazienti ricchi?
Cellule staminali geneticamente
modificate
L’utilizzo terapeutico può incidere sul
giudizio etico? (ovvero: “Sopprimere
una vita per salvarne un’altra?”)
Fonti “alternative” di staminali pluripotenti
La “riprogrammazione cellulare”
Se le cellule differenziate originano da cellule staminali, è
possibile ottenere cellule staminali da cellule differenziate?
Il differenziamento è una “trasformazione reversibile”?
La “riprogrammazione cellulare”
L’idea è:
Prendere una
cellula matura da
un organo
qualsiasi per
trasformarla in
cellula
pluripotente
Riprogrammazione cellulare mediante
trasferimento nucleare
“…Mi sembrava chiaro che l'esperimento più
importante, trapiantare nuclei da cellule
differenziate, dovesse ancora essere fatto”
(Gurdon, 1962)
La clonazione dei
mammiferi: Dolly
Wilmut et al, 1997
Geni della pluripotenza
• Perché le cellule
differenziate perdono la
pluripotenza?
• Pur contenendo lo stesso
genoma delle cellule
capostipiti, non lo
“esprimono” nella stessa
maniera
– Un gene si “esprime”
producendo mRNA e
proteina
• Nelle cellule differenziate
alcuni geni sono
“silenziati” o “spenti”
Riprogrammazione cellulare
mediante trasferimento di geni
Cellule
staminali
embrionali
Yamanaka e Blau, 2010
• 4 geni importanti per la pluripotenza:
Oct4, Sox2, Nanog, Istone B4.
• Trasferimento dei geni mediante virus
in cellule differenziate
• Ottenimento di cellule staminali
pluripotenti indotte (cellule iPS)
Cellule
staminali
pluripotenti
indotte (iPS)
Fibroblasti
Yamanaka, 2006
Le cellule ottenute da Yamanaka erano
davvero pluripotenti?
Neuroni
Cellule del fegato
Cellule muscolari
Takahashi et al, 2007
Possibili applicazioni delle cellule iPS
L’approccio terapeutico con ESC è promettente
per il trattamento di patologie caratterizzate da
un’estesa morte cellulare, soprattutto a carico
di tessuti con scarsa capacità di rigenerazione:
– Malattie neurodegenerative
– Distrofie muscolari
– Malattie cardiache
– Leucemie
– AIDS
– Malattie genetiche
