Cosa ci aspettiamo
scientificamente e
terapeuticamente dalla ricerca
sulle cellule staminali?
Prof Luca Pierelli
Dipartimento di Medicina Sperimentale – Universita’
Sapienza – Roma
UOC Medicina Trasfusionale e Cellule Staminali
Le cellule staminali umane
etimologia del termine
“Staminale” derivazione greca --> stamin-inos = trave, montante
“Staminale” derivazione latina--> stamen-minis = relativo allo stame (il filo
dell’ordito, anche riferibile allo stame della vita. Le Parche, secondo il
mito, filavano il destino della vita)
“Staminale” derivazione anglosassone--> staminal = cellula capostipite di
un clone
Le cellule staminali
umane
tipologie
• Totipotent stem cells : zigote
• Pluripotent stem cells : cellule staminali embrionali
• Induced pluripotent stem cells : IPS mediante riprogrammazione dei geni Oct-3/4; SOX; Klf; Myc; Nanog;
LIN28
• Adult, multipotent, oligopotent, monopotent
Le cellule staminali
umane
tipologie
CONCETTO DI STAMINALITA’
•
•
•
•
Capacita’ di autorinnovarsi
Lunga sopravvivenza
Ampio repertorio differenziativo
Capacita’ di differenziare in elementi
funzionalmente attivi
Cellula Staminale Emopoietica
nella configurazione di elementi monopotenti
Figure 4. Stages of human yolk sac formation. (Top) The primary yolk
sac (1°YSC) is formed 7–8 days postconception. Intermediate cells (IC;
depicted as white cells) migrate from the endodermal (EL) layer (darkcol- ored cells) of the primary yolk sac to fill in the space between the
endo- derm and trophoblastic basal lamina (TBL). (Middle) The
secondary yolk sac (2°YSC) is formed by the remnants of the primary
yolk sac following its collapse and fragmentation. (Bottom) By 12 days
postconception, the secondary yolk sac has expanded to the edge of
the embryonic disk, is lined by endoderm cells (dark cells), and
protrudes into the exocelom (EXO). The mesoderm adjacent to the
trophoblastic basal lamina (TBL) has differ- entiated into mesothelium
(MESO). Hematopoietic activity will be present in yolk sac blood
islands arising in the secondary yolk sac by week 3 of gestation.
Reproduced with permission of F.F. Nogales (ed): The Human Yolk Sac
and Yolk Sac Tumors, Berlin: Springer-Verlag, 1993, pp. 35–36.
“Emopoiesi” ovvero la produzione delle
cellule del sangue
NASCITA
SACCO VITELLINO
FEGATO FETALE
MILZA FETALE
MILZA ADULTA
MIDOLLO OSSEO
TIMO
20
100
ETA’ GESTAZIONALE (giorni)
260
20
40
60
ETA’ (anni)
DISTRIBUZIONE DEL MIDOLLO OSSEO
NEI BAMBINI E NEGLI ADULTI
Fegato
Encefalo
Cellule staminali
nervose
Muscolo striato
Midollo
osseo
Osso
Cellule ematiche
Endotelio
vascolare
Cellule
epiteliali
Stroma
midollare
Adipociti
Neuroni
Muscolo cardiaco
Esempio di plasticita’ staminale nei tessuti murini .
Cellule della glia
CD133+ da sangue di cordone
Generazione di mioblasti da staminali umane CD133+
In presenza di desametazone ed idrocortisone
Anti-Myosin D
CD133+ da sangue di cordone
Generazione di osteoblasti da staminali umane CD133+
in presenza di desametazone, ac. ascorbico e beta-glicerolfosfato
Anti-Osteopontin
CD133+ da sangue di cordone
Generazione di precursori endoteliali da staminali umane CD133+
in presenza di EGF, VEGF, bFGF, IGF e acido ascorbico
CD133+ da sangue di cordone
Generazione di precursori cardiomiocitici da staminali umane
CD133+
in presenza di 5-azacitidina
Impiego clinico delle cellule
staminali/progenitori CD34+
•Trapianto allogenico
(leucemie acute, leucemie
croniche,
immunodeficienze, aplasie
midollari, tesaurismosi,
emoglobinopatie)
Trapianto allogenico
Chemioterapia
d’ induzione
della risposta
Reinfusione di progenitori
emopoietici HLA-compatibili
Regime di condizionamento
mieloablativo e/o immunosoppressivo
Recupero emopoietico
con chimerismo
GVHD
GVT
Infusione linfociti
del donatore
F
O
L
L
O
W
U
P
Impiego clinico delle cellule
staminali/progenitori CD34+
• Trapianto autologo
(leucemie acute, mielomi,
linfomi, carcinoma
mammario, carcinoma
ovarico, tumori germinali,
malattie autoimmuni)
Trapianto autologo
Reinfusione di progenitori
emopoietici
Chemioterapia d’ induzione
della risposta
Recupero emopoietico
Chemioterapia/chemioradioterapia
ad alte dosi (6/7 volte le dosi
convenzionali)
F
O
L
L
O
W
U
P
Treatment of Terminal Leukemic Relapse by Total-Body
Irradiation and Intravenous Infusion of Stored Autologous
Bone Marrow Obtained during Remission
Joseph J. McGovern, Jr., M.D.†, Paul S. Russell, M.D.‡,
Leonard Atkins, M.D.§, Edward W. Webster, Ph.D.¶, Martha
Duane, J. Worth Estes, and David Kelleher
N Engl J Med 1959; 260:675-683April 2, 1959DOI:
10.1056/NEJM195904022601401
Br J Haematol. 1994 Jan;86(1):70-5.
Haemopoietic reconstitution after autologous blood stem cell transplantation
in patients with malignancies: a multicentre retrospective study.
Pierelli L1, Iacone A, Quaglietta AM, Nicolucci A, Menichella G, Benedetti Panici
P, D'Antonio D, De Laurenzi A, De Rosa L, Fioritoni G, et al.
5
Raccolta delle cellule staminali
emopoietiche dal sangue
cordonale
Raccolta delle cellule staminali
emopoietiche dal sangue
midollare
Raccolta delle cellule staminali
emopoietiche dal sangue
periferico
4
2
Europa: 2011
L’intero pianeta: 2006-2008
Biol Blood Marrow Transplant. 2008 Jun;14(6):641-50. doi:
10.1016/j.bbmt.2008.03.005.
HLA-haploidentical bone marrow transplantation for
hematologic malignancies using nonmyeloablative
conditioning and high-dose, posttransplantation
cyclophosphamide.
Luznik L1, O'Donnell PV, Symons HJ, Chen AR, Leffell MS,
Zahurak M, Gooley TA, Piantadosi S, Kaup M, Ambinder
RF, Huff CA, Matsui W, Bolaños-Meade J, Borrello I, Powell
JD, Harrington E, Warnock S, Flowers M, Brodsky RA,
Sandmaier BM, Storb RF, Jones RJ, Fuchs EJ.
33
HSC Niche
Cytokine
receptor
Vascular endothelium
CXCR4
SDF-1
gradient
Notch1/
Jagged1
VLA4/
VCAM1
Stromal cells
c-Kit
SCF
Extracellular
matrix proteins
and soluble
cytokines
Mesenchimal Stem Cells
Descritte nel 1970
Friedenstein e coll.
Origine midollare
Derivate da un progenitore non
emopoietico
Forma fibroblastoide
Anni ‘80
Castro-Malaspina
0.01-01% cellule midollari
Elementi cellulari in grado di produrre
citochine stimolanti l’emopoiesi
Denominate CFU-F Unità formanti
colonie fibroblastoidi
Multipotenza delle MSC
MSC alla confluenza
Osteogenesi
Membrana di acido ialuronico Imbibita di midollo osseo (residuo dopo
intervento chirurgico per condropatia in coltura rilascia nel tempo MSC
MSC da SVF + scaffold di Fosfato Tri-calcico - Adipogenesi prima della colorazione
MSC da SVF + scaffold di Fosfato Tri-calcico - Adipogenesi colorazione con Oil Red
MSC da SVF + scaffold di Fosfato Tri-calcico - Osteogenesi
MSC da SVF + scaffold di Fosfato Tri-calcico - Osteogenesi
CELLULE MESEMCHIMALI STROMALI
SORGENTI MSCs
MSCs
Cellule
Stromali
Mesenchimali
MIDOLLO OSSEO
TESSUTO
ADIPOSO
SANGUE
CORDONALE
GELATINA DI
WHARTON
PLACENTA
POLPA DENTALE (
denti decidui )
TESSUTO
CONNETTIVO
TESSUTO OSSEO
LIQUIDO
SINOVIALE
MULTIPOTENZIALITA’ DIFFERENZIATIVA
MSCs
MESODERMA
Tessuto adiposo
Tessuto osseo
Tessuto cartilagineo
Tessuto muscolare
Tessuto connettivo
ENDODERMA
Fegato
Polmone
Pancreas
Tratto gastro-intestinale
Cellule
Stromali
Mesenchimali
ECTODERMA
Epidermide
Neuroni
ATTIVITA’ IMMUNOMODULATORIA
SCARSA IMMUNOGENICITA’
Scarsa espressione di HLA
( Classe I e Classe II )
ATTIVITA’ IMMUNOMODULATORIA
Attivazione
Linfociti T reg
SFUGGONO
ALL’AGGRESSIONE DEL
SISTEMA IMMUNITARIO
DELL’OSPITE
INIBIZIONE
Proliferazione dei linfociti T
( Th1 e T killer )
Proliferazione dei linfociti B
( produzione di anticorpi )
Funzione delle APC
Produzione di citochine
APPLICAZIONI DELLE MSCS
ORTOPEDIA
Lesioni Osteocondrali
Lesioni Articolari
CHIRURGIA PLASTICA
MSCs
Cellule
Mesenchimali
Stromali
Ulcere Croniche
Ustioni
Cicatrici
Ricostruzione del seno
CARDIOLOGIA
Cardiomiopatie
Infarto del miocardio
ODONTOIATRIA
Rigenerazione dentina
Rigenerazione polpa
dentale
NEUROLOGIA
Danni al midollo spinale
Ischemia cerebrale
Clinical Trials.gov
493 studies found for Mesenchymal Stem Cells
Phase I / II
96 Bone and Cartilage disease
87 Neurological disease
73 Cardiovascular Disease
35 GVHD
31 Liver disease
29 Hematological diseases
27 Diabetes
23 Lung Disease
13 Chron’s disease
9 Kidney Disease
2 Lupus erythematosus
73 Other
Phase III/IV
2 Bone and Cartilage disease
Cotransplantation
Tissue regeneration
Immune regulation
INDUCED PLURIPOTENT STEM CELLS ( iPSCs )
20
06
In 2006, Sinhya Yamanaka dimostrated the
possbility to reprogramming fibroblasts
into pluripotent stem cells with only 4
factors (Oct4, Sox2, Klf4,c-Myc)
Oct4/3, Sox2, Klf4, c-Myc (Yamanaka S, 2006)
INDUCED PLURIPOTENT STEM CELLS ( iPSCs )
iPSCs : APPLICATIONS
Lee G. Nature Methods 2010
iPSCs : CELL THERAPY STRATEGIES
1. iPSCs BASED THERAPY FOR NON GENETIC DISORDERS
First clinical trial with iPSCS ( 2013)
RPE
iPSCs
RETINAL
PIGMENTED
EPITHELIUM
RETINA
TRANSPLANT
2. iPSCs BASED THERAPY FOR GENETIC DISORDERS
Generation of functional TISSUES from iPSCs
iPSCs TOWARD THE CLINIC
Utilizzo di strategie non integrative
( integrazione = mutazioni = tumorigenesi )
Utilizzo di prodotti xenofree < rischio di risposte immunologiche
Protocolli altamente efficienti di differenziamento per la produzione
di cellule funzionali e “safe” < rischio tumorigenicità
Ottimizzazione dei metodi di delivery,
integrazione e funzionalità delle cellule
trapiantate nel tessuto ricevente
Studi di “ long term safety” per escludere la formazione di
teratoma e/o di cellule geneticamente instabili
