differenziamento stem cells

Differenziamento cellulare
Differenziamento: acquisizione progressiva di nuove
caratteristiche che porta a “tipi” cellulari specifici (es cell
muscolari, neuroni,….)
Dopo la fecondazione lo zigote va incontro a mitosi e differenziamento
progressivi: da un gruppo di cellule “generiche”, indefinite, totipotentitante
cellule via via + specializzate
Differenziamemto si basa su espressione genica differenziale:
cellule differenziate esprimono
geni “esclusivi”, responsabili delle loro
specifiche funzioni
geni housekeeping (in comune con alri
tipi cellulari)
Esperimenti di trapianto nucleare dimostrano la totipotenza dei nuclei delle
cellule differenziate di tessuti adulti
Ciò significa che l’espressione differenziale non avviene con meccanismi che
alterano l’informazione genica in modo irreversibile
Repertorio genico resta completo
espressione modulata da proteine regolatrici e/o cambiamenti struttura della
cromatina
Anche la pecora Dolly è stata
ottenuta mediante trapianto
nucleare!
Il nucleo di una cellula prelevata da
mammella inserito in oocita
denucleato di altra specie
Il citoplasma dell’oocita
“riprogramma” il nucleo recupera
totipotenza
Fasi iniziali di sviluppo embrionale
Zigote: deriva da cellula uovo molto grande
segmentazione: divisioni rapide,sincrone, no aumento volume totale; termina
quando cellule raggiungono dimensione tipica della specie (s/V)
stadio di morula
 si forma cavità (bc): stadio di blastula;
 Gastrulazione: movimenti cellulari e definizione di 3 foglietti
embrionali da cui originano i vari tessuti/organi
Neurulazione: si forma tubo neurale e abbozzo encefalo
Dopo la neurulazione inizia differenziamento cellulare e organogenesi
Dopo le prime settimane di vita, embrione va incontro a gastrulazione:
le cellule si organizzano in 3 “foglietti embrionali”che sono l’abbozzo del
piano corporeo
Le cellule dei 3 foglietti si differenzieranno in tessuti diversi
Il differenziamento è regolato soprattutto dal
microambiente in cui la cellula cresce
1. Induzione (comunicazione a corto raggio tra cellule
mediante contatto fisico e/fattori diffusibili)
2. Determinanti citoplasmatici
3. Inibizione laterale
MORFOGENI
L’induzione puo’ basarsi su molecola segnale (MORFOGENO) che istruisce le
cellule in funzione del proprio gradiente (effetto soglia)
•Ad alte conc determina un tipo di differenziamento
•A basse conc  induce altro tipo di differenziamento
Es di induzione da morfogeno:
differenziamento del tubo neurale
per dare i diversi tipi di neurone
Gradiente shh determina il tipo di
differenziamento:
celulle sottoposte ad alte
concentrazioni di morfogeno
sonic hedgehog (Shh)
differenziano in un modo, cellule
sotto bassa conc di shh
differenziano in altro
Il differenziamento può essere regolato da:
Determinanti citoplasmatici (mRNA, proteine o altro) con distribuzione
diseguale dentro citoplasma
Destini diversi
Destini simili
Inibizione laterale: un gruppo di cellule tra loro equivalenti, inizialmente omogeneo
alcune di queste cell si differenziano (casualmente o per effetto di gradiente o asimmetrie
citoplasmatiche) e secernono fattori/espongono molecole superficiali che impediscono lo
stesso tipo di differenziamnto in cell adiacenti
Questi inibitori amplificano
minime differenze iniziali e
“forzano” cellule verso
destini diversi
Gli stimoli che inducono cellule a differenziarsi si trasformano in
variazioni epigenetiche della cromatina
Durante il differenziamento infatti varia stato di metilazione del DNA e/o di
modifiche chimiche su istoni queste variazioni sono fedelemente
trasmesse alle cellule figlie: es cellula di mioblasto origina cellule figlie
con stesso pattern di metilazione (attivazione genica)
In cellule indifferenziate (totipotenti)  basso livello di metilazione
In cellule via via + differenziate  aumenta livello di metilazione
Nei primi stadi di sviluppo embrionale il nucleo viene riprogrammato grazie a
demetilazione: recupero totipotenza
Livello di metilazione resta basso anche nelle cellule staminali dei tessuti adulti
(mantengono capacità proliferativa e differenziativa)
Cellule staminali
Cellule staminali = cellule indifferenziate
capaci di
1) riprodursi (selfrenewal/automantenimento) e
2) differenziarsi in seguito per dare
cellule più specializzate
Cellule staminali embrionali (ES cell):
derivano dall’embrione primi stadi,
sono indifferenziate e pluripotenti
(possono differenziarsi in molti tipi di
tessuto)
Cellule staminali dell’adulto (ASC) : si
trovano in tessuti differenziati, unipotenti o
multipotenti (capacità differenziativa +
ristretta rispetto ad ES)
Opportunamente trattate le ES derivanti da un embrione possono originare tutti
i tipi cellulari
Applicazioni: uso delle ES nella terapia trapiantologica  riparare tessuti
danneggiati (formati da cellule che non riescono più a rigenerarsi)
le ES possono essere indirizzate in vitro verso percorso differenziativo e quindi
impiantate in paziente
cura di malattie neurodegenerative, distrofia muscolare, infarto, diabete, lesioni
midollo spinale, etc.,…
Ostacolo principale: scarsa accessibilità ad ES umane e rigetto se geneticamente
incompatibili
Clonazione terapeutica per evitare rigetto
La clonazione terapeutica non punta a riprodurre un organismo intero
(clonazione riproduttiva) bensì cellule ES personalizzate
Resta comunque problema etico (: disponibilità di cellule uovo umane) e
tecnico ( difficile trapianto nucleare)
L’uso delle ES è ancora in fase sperimentale
Finora studi soprattutto in modelli animali
ASC: cellule staminali da adulto
In diversi tessuti differenziati dell’adulto a ricambio elevato si trovano
popolazioni/nicchie di staminali
La funzione principale delle ASC è mantenere l’omeostasi tissutale
Aumenta sempre più la lista di tessuti adulti con staminali, solo che
è molto difficile individuarle perchè sono rare (1:10000-20000!!)
Es epitelio intestinale
Staminali producono vari tipi di
cellule secernenti o assorbenti che
differenziandosi man mano migrano
verso apice dei villi e vanno
incontro ad apoptosi (vita limitata)
Es epitelio pluristrato cutaneo
staminali si dividono nello strato + profondo per poi migrare/differenziare vs
superficie
Es sangue contiene vari tipi cellulari derivanti da staminale emopoietica
pluripotente (midollo osseo)
Le ASC più studiate sono le HSC
(hematopoietic stem cells)
HSC sono anche molto usate a scopo
terapeutico per la cura di varie patologie
(leucemie, linfomi,
anemie,immunosoppressioni indotte da
chemio/radioterapia,…) anche per la loro
straordinaria plasticità (dimostrata da
recenti studi)
Il microambiente della “nicchia” (morfologia-architettura, composizione
chimica, etc) mantiene la “staminalità” delle cellule e le protegge da tendenza a
differenziare
Es molecole segnale Wtn servono a mantenere nello stato staminale le cellule
delle cripte intestinali
Applicazioni delle ASC in medicina rigenerativa
Ricostruzione della superficie oculare o dei tessuti ossei (a seguito di traumi o
patologie) a partire da staminali mesenchimali
Problemi incontrati: ricerca di condizioni di coltura in vitro
adeguate al differenziamento, materiali di supporto adatti a
sviluppo di tessuti (epiteli), mantenimento delle cellule allo
stadio staminale, …
Le mesenchimali sono guidate a formare
tessuto
mineralizzato
grazie
ad
associazione
con
supporti
porosi
(ceramiche) e/o agenti chimici