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 grande potenziale proliferativo
Sono capaci di autorinnovamento
Possiedono ampie potenzialità differenziative:
–
–
–
Totipotenza
Pluripotenza
Multipotenza
• Sono presenti in tutti gli stadi di sviluppo:
– Embrionale (ESC)
– Fetale (FSC)
– Adulto (ASC)
• Provvedono:
– allo sviluppo embrionale e fetale
– alla rigenerazione ed all’omeostasi di organi adulti
Caratteristiche generali
Tutte queste caratteristiche e la possibilità di
manipolarle fisicamente e geneticamente
rendono le cellule staminali oggetto di
estremo interesse in diversi campi di ricerca e
di terapia clinica, grazie alle attuali sofisticate
tecnologie.
Nel contempo, la trasposizione delle ricerche
dagli “animali” all’uomo, introduce
implicazioni etiche che pongono la ricerca
stessa al centro dell’interesse di altre
discipline (anche non scientifiche).
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.
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
Segnali di self-renewal in ESC
Applicazioni
delle ESC alla
ricerca
biologica:
studi in vivo
• Produzione
di animali
Iniezione di DNA in un
chimerici
pronucleo femminile
• Produzione
di animali
Studi in vivo che permettono di
transgenici investigare:
– La funzione di geni normali nello
sviluppo (ad es., sovraespressione
di geni)
– La funzione di geni alterati nella
patogenesi di malattie (ad es.,
espressione di geni umani mutati)
Applicazioni delle ESC alla ricerca
biologica: studi in vitro
Allestire linee di ESC, controllandone il differenziamento
• Studiare i meccanismi alla base delle proprietà di self-renewal e di
pluripotenza:
– Isolare le ESC e farle proliferare
– Variare il mezzo di coltura, eliminando od aggiungendo fattori che si
suppongono implicati nel differenziamento e studiandone l’effetto
– Alterare geneticamente le cellule, studiandone l’effetto
• Studiare i meccanismi di malattie genetiche:
– Isolare le ESC e farle proliferare
– Transfettare le cellule staminali con un gene mutato
– Studiare il comportamento delle cellule “dissezionando” i meccanismi
patogenetici
– Studiare la risposta a specifici trattamenti (farmaci, RNAi,etc.)
Applicazioni terapeutiche delle ESC
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?”)
!
Clonazione terapeutica
Fonti “alternative” di hESC
