Prof. Maurizio Pietro Faggioni

1. Lavorare con le cellule staminali. Prof. Maurizio Pietro Faggioni

2. Introduzione

3. Uno dei campi più affascinanti della ricerca biomedica odierna è quello legato alle ricerche sulle cellule staminali.

4. Gli studi in corso per penetrarne le dinamiche differenziative e per poterle impiegare in ambito terapeutico hanno raggiunto la ribalta dei mezzi di comunicazione di massa e hanno acceso un nuovo e appassionante dibattito pubblico. • Ci sono urgenti e delicate questioni etiche e legali connesse con la produzione e alla manipolazione delle cellule staminali. • Si profilano infine orizzonti inediti e rivoluzionari per la stessa comprensione del fenomeno della vita.

5. Biologia delle cellule staminali

6. Distinguiamo tre tipi di staminali1. Staminali adulte2. Staminali derivate da embrioni3. Staminali pluripotenti indottele prime si trovano in natura, le altre due sono frutto di manipolazioni.

7. 1. Cellule staminali adulte

8. Nell’embrione le cellule, dapprima totipotenti (capaci di dare origine a ogni tessuto, inclusi gli annessi), si differenziano nelle cellule pluripotenti del disco embrionale (capaci di dare origine ai diversi tipi cellulari) e poi nelle multi eunipotentidei tre foglietti embrionali.

9. Le cellule dell’embrione tendono a differenziarsi nelle cellule specializzate dei diversi tessuti adulti. Però, restano, anche nell’adulto, alcune cellule solo parzialmente differenziate. Sono dette “cellule staminali” (stemcells).

10. Stamen in latino significa “filo”, ma anche “gambo” o “tronco” di una pianta (in castigliano “cèlulastroncales”)

11. Le cellule staminali sono capaci di moltiplicarsi, se necessario, per sostituire le cellule dei tessuti a rapido “turn over” (epidermide, mucosa intestinale, sangue che sono detti tessuti labili o rinnovabili) e per reintegrare cellule morte o danneggiate.

13. . Esse possono andare incontro a mitosi e dare origine a una progenie di cellule figlie • una parte progredisce nel cammino differenziativo sino a uno specifico tipo cellulare; • un’altra parte permane indifferenziata e funge da “serbatoio” di nuove staminali.

15. Presenza ubiquitaria

16. Classicamente si pensava che le cellule staminali fossero presenti solo nei tessuti adulti che vanno incontro a rapida e fisiologica sostituzione (turn-over) o capaci di riparazione. Una delle scoperte fatte alla fine degli anni ‘90 riguarda la loro presenza in tessuti finora ritenuti non rinnovabili.

17. Staminali nel Sistema Nervoso Centrale Anche nel SNC sono presenti cellule staminali che possono dare origine ai principali tipi cellulari del tessuto nervoso: le cellule gliali e i neuroni.

18. JOHANSSON ha dimostrato che nel ratto la sede delle cellule staminali neurali è l’ependima, il sottile rivestimento epiteliale monostratificato che ricopre la superficie dei ventricolari cerebrali. • Frammiste fra le cellule ependimali mature, sono state evidenziate cellule staminali che presentano i tipici marcatori delle cellule neurali immature e che, sebbene raramente, entrano in mitosi. • La possibilità di autoriparazione del SNC è, però, molto limitata.

19. Plasticità delle staminali dell’adulto

20. Si riteneva che le cellule staminali dell’adulto avessero perso del tutto la pluripotenzialità delle cellule embrionali e potessero differenziarsi entro un ambito alquanto più ristretto. • Questa persuasione era in linea con la comprensione tradizionale della biologia sulla unidirezionalità del processo differenziativo normale. • È stata evidenziata una flessibilità maggiore di quella che si supponeva classicamente. • In particolari condizioni, una staminale dell’adulto può dare origine anche a tipi cellulari molto diversi. • Tale capacità è detta plasticità o transdifferenziazione.

21. Le staminali nello stroma del midollo osseo, di origine mesenchimale, possono differenziarsi non solo negli elementi del sangue e in cellule di analoga derivazione embriologica (miociti, osteociti, condrociti; microglia del SNC), ma anche, in particolari condizioni, in cellule di derivazione neuroepiteliale, quali gli astrociti. Plasticità delle staminali Mesenchimali nel ratto

22. Nel gennaio del 1999 C. Bjornson e A. Vescovi hanno riferito di aver osservato che alcune cellule staminali nervose prelevate dal cervello di topo, trasferite in topi il cui midollo emopoietico era stato distrutto per irradiazione, potevano evolvere in cellule ematiche. • L’anno seguente lo stesso gruppo ha mostrato come le cellule staminali cerebrali umane, al pari di quelle murine, sono in grado di dare origine a cellule di muscolo scheletrico.

23. Da dove provengono le staminali di tipo adulto?Da donatori (bambini o adulti)Dal sangue del cordone ombelicaleDal liquido amniotico

24. Da organismi adulti Le cellule staminali da organismo adulto provengono da donatori (bambini e adulti). Molto diffusa è la pratica del dono di midollo osseo per il trasferimento di staminali emopoietiche.

25. Molto diffusa è la pratica del dono di midollo osseo per il trasferimento di staminali emopoietiche.

28. Si possono fare anche autotrapianti di staminali raccolte nell’organismo stesso che se ne gioverà. • Un grande vantaggio dell’autotrapianto è l’assenza di rigetto. • Si stanno perfezionando le tecniche per l’isolamento delle staminali dal sangue e dai tessuti.

29. Staminali da sangue cordonale Una ulteriore fonte di staminali di tipo adulto è costituita dal sangue del cordone ombelicale. Le cellule cordonali hanno mostrato di essere meglio tollerate immunologicamente dai riceventi rispetto a quelle dei donatori adulti. Sono in scarsa quantità rispetto alle necessità di un organismo adulto, ma hanno il vantaggio di essere facilmente e largamente disponibili, senza danneggiare né le madri, né i neonati.

30. Staminali da sangue di cordone ombelicale Raccolto,centrifugato,purificato, congelato. 150 gr. di sangue

31. Cellule staminali sono estratte da fetirisultato di aborti spontanei o indotti. Cellule staminali sono state raccolte anche dal liquido amniotico.

32. 2. Cellule staminali derivate da embrioni (ESC)

33. Le staminali dall’embrione (ESC) Le cellule staminali embrionali provengono dalla blastocisti. Prelevando con tecniche di immunochirurgia i singoli blastomeri della massa cellulare interna, quella che darà origine al corpo del nuovo essere.

34. Disgregazione della blastocisti

35. Si possono usare anche le cellule germinali primordiali, cellule presenti nel feto dopo la 4a settimana, da cui si formeranno spermatozoi ed ovociti.

36. Le ESC sono pluripotenti. Possiedono una grande flessibilità, maggiore di quella delle staminali da adulto, potendo dare origine praticamente a qualsiasi tipo cellulare e tessuto, esclusi solo quelli degli annessi.

37. Differenziazione in un’ampia gamma di tipi cellulari

38. Isolare cellule indifferenziate da embrioni è agevole, mantenerle in coltura allo stato pluripotenziale impedendo la loro spontanea progressione verso la specializzazione è invece arduo. Esiste, infatti, una intrinseca tensione delle forme viventi a muoversi verso stadi evolutivi e maturativi sempre più definiti.

39. Una volte poste in coltura mostrano una spontanea tendenza a differenziarsi e a formare strutture organizzate multicellulari note come corpi embrioidi (embryoidbodies) che contengono elementi riferibili ai tre foglietti embrionali, ectoderma, mesoderma ed endoderma. Da qui si possono estrarre cellule staminali di vario tipo

41. Dopo lunghe esperienze con gli animali, il 5 novembre 1998 la Geron Corporation ha annunciato che un gruppo di scienziati era riuscito a stabilire linee di coltura di cellule staminali embrionali umane dando origine a cellule virtualmente immortali, capaci cioè di riprodursi indefinitamente.

42. Linee di cultura di staminali provenienti dalla massa cellulare interna

43. Colture di cellule staminali La possibilità di isolare le cellule staminali e la capacità di mantenerle in coltura ha acceso speranze e attese irrealistiche e ha suscitato gravi problemi etici.

44. 3. Cellule staminali pluripotenti indotte

45. Riprogrammare le cellule somatiche per avere iPS cells (induced pluripotent stem cells)

46. Metodica proposta nel 2006 da Takahashi e Yamanaka di Kioto. Premio Nobel 2012

47. Induction of Pluripotent Stem Cells from Mouse Embryonic and Adult Fibroblast Cultures by Defined Factors, Cell , august 2006, vol. 126, 663-676.

49. La tecnica descritta da Yamanaka presenta il rischio tumorale proveniente dagli oncogeni. • Si stanno sviluppando tecniche biologicamente più sicure che non prevedono il ricorso a retrovirus.

50. Se si dimostrerà priva di seri rischi, sembra essere la via eticamente preferibile per avere staminali autologhe di tipo embrionale. Un limite che si va evidenziando è che sembrano presentare una velocità di invecchiamento maggiore delle staminali derivate da embrioni.