Si autorigenerano (self renewal) Capacità di differenziarsi in cellule differenti

1. Cellule staminali Stem cells Si autorigenerano (self renewal) Capacità di differenziarsi in cellule differenti

2. stem cell SELF-RENEWAL (copying) DIFFERENTIATION (specializing) specialized cell e.g. muscle cell, nerve cell stem cell

3. Types of stem cell: 1) Embryonic stem cells

4. Embryonic stem (ES) cells: Where we find them blastocyst cells inside = ‘inner cell mass’ fluid with nutrients culture in the lab to grow more cells embryonic stem cells taken from the inner cell mass outer layer of cells = ‘trophectoderm’

5. Embryonic stem (ES) cells: What they can do differentiation embryonic stem cells PLURIPOTENT all possible types of specialized cells

6. Embryonic stem (ES) cells: Challenges skin grow under conditions A grow under conditions B neurons embryonic stem cells grow under conditions C blood grow under conditions D ? liver

7. Genera ogni cellula del corpo, compresa la placenta e i tessuti extra-embrionali Cellule totipotenti: possono formare l’intero organismo In grado di generare tutte le cellule del corpo, ad eccezione placenta e nei tessuti extra-embrionali Cellule pluripotenti: NON possono formare l’intero organismo Diventano specifici tipi cellulari; possono o no avere plasticità

8. Types of stem cell: 2) Tissue stem cells

9. Cellule staminali adulte • Sono cellule che si trovano nel tessuto post-natale che può produrre solo i tipi di cellule specializzate del tessuto da cui hanno origine: • cellule staminali emopoietiche - danno origine a cellule del sangue • cellule staminali mesenchimali - danno origine a cellule dei tessuti connettivi e ossa • cellule staminali del cordone ombelicale - una ricca fonte di cellule staminali ematopoietiche • Le cellule staminali trovate nel liquido amniotico - potrebbe essere più flessibile di cellule staminali adulte

10. Tissue stem cells: Where we find them surface of the eye brain skin breast intestines (gut) testicles bone marrow muscles

11. Tissue stem cells: What they can do blood stem cell differentiation found in bone marrow only specialized types of blood cell: red blood cells, white blood cells, platelets MULTIPOTENT

12. Sviluppo delle cellule staminali ematopoietiche Progenitori Multipotenti Progenitori ristretti Cellule mature Le HSC possono essere suddivise in HSC che si auto-rinnovano a lungo termine , HSC che si auto-rinnovano a breve termine e cellule progenitrici multipotenti (frecce rosse indicano self-renewal). Essi danno luogo a comuni progenitori linfoidi (CLPs, i precursori di tutte le cellule linfoidi) e comuni progenitori mieloidi (CMPS, i precursori di tutte le cellule mieloidi). Entrambi CMPS / BPF (precursori dei macrofagi granulociti) e CLPs possono dare origine a tutte le cellule dendritiche. Stem Cells Reya et al. 2001 Nature 414:105-111

13. Wnt Signaling Pathway Fodde, R et al., Nat Rev Cancer (2001) 1:57-67

14. MicroAmbiente delle cellule staminali Il mantenimento e la sopravvivenza delle cellule staminali è regolato da fattori prodotti del microambiente che le circondano, spesso definito come la 'nicchia delle cellule staminali'. La nicchia rappresenta un comparto anatomico che fornisce i segnali alle cellule staminali in forma di molecole di superficie e cellulari che controllano: il tasso di proliferazione il destino delle cellule staminali figlie, protezione delle cellule staminali dalla morte. Ma dove si trovano le nicchie?

17. A dispetto delle moltissime ricerche nel campo, la percentuale di sopravvivenza è passata dal 50% nel1970 al 66% nel 2008 e il cancro rimane la seconda causa di morte.Le terapie spesso fallisconoe le cellule cancerose diventano resistenti: LA BIOLOGIA DEL CANCRO NON E’ ANCORA CHIARITA

18. Il cancro è eterogeneo Tumori che derivano da pazienti differenti sono differenti (morfologie, marker sulla superficie, risposta alla terapia) All’interno di un tumore le cellule cancerose non sono tra loro identiche (variazioni genetiche e epigenetiche)

19. Modelli di eterogeneità tumorale Evoluzione clonale Clonal evolution Cellule staminali del cancro Cancer stem cells

20. Evoluzione clonale Clonal evolution Cellule staminali del cancro Cancer stem cells

21. I tumori derivano da cellule normali che mutatano e generano cellule anormali che anch’esse mutano formando una massa variegata di cellule tumorali • La maggior parte delle cellule tumorali possono contribuire al mantenimento del tumore

23. Cancro al colon: Progressione da adenoma precoce a carcinoma invasivo riflette l’accusione progressiva di mutazioni in specifici geni correlati al cancro (oncogeni e soppressori tumorali)

24. Evoluzione clonale Clonal evolution Cellule staminali del cancro Cancer stem cells

26. Self-renewal Assay in NOD/SCID Mice (Non-obese diabetic/severe combined immunodeficiency) FACS Cell Sorter Cancer Cells (ex: Leukaemia cells CD34+ è una glicoproteina usata come marker di cellule ematopoietiche pluripotenti Frequenza delle cellule cd434+/cd28- : 1/1.000.000

27. CD44 Expression CD24 Expression Self-renewal Assay in NOD/SCID Mice For solid tumors: surgical orthotopic implantation (SOI) FACS Cell Sorter Single Cell Suspension Solid Tumor Mince (small pieces) Surgical Implantation 100 cellule cd44+/cd24- provocano tumore, mentre 50.000 cellule con fenotipi diversi non hanno nessun effetto

28. Breast Cancer Stem Cells: CD44+ CD24low Lin- B38.1+ ESA+ CD44 and CD24 – adhesion molecules B38.1 – breast/ovarian cancer-specific marker ESA – epithelial specific antigen Al-Hajj, Muhammad et al. (2003) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 3983-3988

29. Stem Cells in the Nervous System

30. CSCs del cervello:CD133+ CD133 – neuronal stem cell marker Le CSCs del cervello sono state identificate nei campioni di tumore atraverso la tecnica delle neurosfere normalmente utilizzata per isolare le cellule neurali staminali. GFAP = glial fibrillary acidic protein Singh et. al 2003 Cancer Research 63: 5821-5828.

31. CD133+ CD133+ CD133- Le CSCs del cervello sono state identificate con trapianto intracraniale di cellule CD133+ nel cervello di topi SCID adulti Singh et al. 2004 Nature 432: 396-401

32. I tumori consistono di 2 tipi cellulari confunzioni distinte: Le Cancer stem cell (CSC) la progenie che non ha la capacità di autorigenerarsi (self-renewing) Il tumore ha un arrangiamento gerarchico e le CSC sono le cellule capaci di A) iniziare B) sostenere e C) espandere la malattia

33. Cosa sono le cancer stem cells (CSC)???? • Sotto-insieme di cellule tumorali che hanno l’abilità di autorigenerarsi e generare diverse cellule che compongono il tumore • Riflettono proprietà “stem-like” e l’abilità di sostenere in modo continuo la tumorigenesi • La capacità di differenziarsi in qualsiasi tipo cellulare NON è una caratteristica PECULIARE delle CSC

34. Proprietà condivise dalle cellule staminali normali e dalle cancer stem cells • Divisione Asimmetrica: • Self renewal • stem cells normali tessuto specifiche devono autoregenerarsi per il mantenimento di specifici organi • Cancer stem cells si autorigenerano per mantenere la crescita tumorale - Differenziamento in cellule mature fenotipicamente differenti • Producono una popolazione eterogenea di cellule che compongono l’organo o il tumore ma che non sono in grado di proliferare in modo illimitato ( arrangiamento gerarchico delle cellule) • Regolati da pathway simili • Pathways che regolano il self-renewal delle staminali sono disregolati nellle cancer stem cells

35. Quali cellule nella gerarchia sono Cancer stem cells?

36. Riscostituzione in vivo

37. Cancer stem cell = stem cell che diventano cancerose Cancer stem cells = cellule normali che ricevono il primo imput che porta alla tumorogenesi e che acquisiscono la capacità di autorigenerarsi

38. La nicchia delle CSCs

39. Pathways coinvolti nel self-renewal che sono deregolati nelle CSCs Wnt, Shh, and Notch pathways have been shown to contribute to the self-renewal of stem cells and/or progenitors in a variety of organs, including the haematopoietic and nervous systems. When dysregulated, these pathways can contribute to oncogenesis. Mutations of these pathways have been associated with a number of human tumours, including colon carcinoma and epidermal tumours (Wnt), medulloblastoma and basal cell carcinoma (Shh), and T-cell leukaemias (Notch).

40. La presenza delle CSCs potrebbe spiegare il fatto che le terapie convenzionali spesso falliscono

41. Implicazioni teraupetiche delle CSCs • La maggior parte delle terapie non considera la differenza tra la sensibilità alle droghe delle CSCs e della progenie non tumorigenica • La maggior parte delle terapie risparmia le cancer stem cells quiescienti.

42. Metastasi • Processo attraverso il quale le cellule lasciano il tumore primario, viaggiano, attraverso il sisteme circolatorio, in un sito distante dove stabiliscono un tumore secondario. • La metastasi dipende dalla crescita tumorela, dall’angiogenesi, dalle capacità invasive e dalla sopravvivenza della cellula Es. per i tumori epiteliali, la transizione epitelio-mesenchima (EMT) è considerato un evento cruciale per il processo metastatico che prevede l’acquisizione da parte delle cellule epiteliali del fenotipo migratorio tipico dielle cellule mesenchimali

43. La Metastasi è un processo multiplo Vascolarizzazione del tumore primario Il tumore cresce attraverso la sintesi e la secrezione di fattori angiogenici Invasione dello stroma degli organi attraverso ad esempio espressione di enzimi come MMP9 e successiva invasione dei canali vascolari e linfatici Evitare una volta entrati nel sistema vascolare o linfatico, i meccanismi immuni o non-immuni

44. Arrestarsi nei capillari vicino organi bersaglio • Invadere in organi distali target • Sopravvivere e proliferare negli organi bersaglio • Dipende da multiple interazioni (“cross-talk”) tra le cellule tumorali e il microambiente dell’organo ospitante

45. Sommario: Processo Metastatico Le cellule metastatiche sono cellule staminali cancerose migranti????

46. mCSC = Cellule staminali cancerose metastatche

47. Cell Stem Cell. 2007 Sep 13;1(3):313-23. Distinct populations of cancer stem cells determine tumor growth and metastatic activity in human pancreatic cancer. Hermann PC, Huber SL, Herrler T, Aicher A, Ellwart JW, Guba M, Bruns CJ, Heeschen C. Department of Surgery, Ludwig-Maximilians-University, 81377 Munich, Germany. Abstract Pancreatic adenocarcinoma is currently the fourth leading cause for cancer-related mortality. Stem cells have been implicated in pancreatic tumor growth, but the specific role of these cancer stem cells in tumor biology, including metastasis, is still uncertain. We found that human pancreatic cancer tissue contains cancer stem cells defined by CD133 expression that are exclusively tumorigenic and highly resistant to standard chemotherapy. In the invasive front of pancreatic tumors, a distinct subpopulation of CD133(+) CXCR4(+) cancer stem cells was identified that determines the metastatic phenotype of the individual tumor. Depletion of the cancer stem cell pool for these migrating cancer stem cells virtually abrogated the metastatic phenotype of pancreatic tumors without affecting their tumorigenic potential. In conclusion, we demonstrate that a subpopulation of migrating CD133(+) CXCR4(+) cancer stem cells is essential for tumor metastasis. Strategies aimed at modulating the SDF-1/CXCR4 axis may have important clinical applications to inhibit metastasis of cancer stem cells.

48. La presenza delle CSCs potrebbe spiegare il fatto che le terapie convenzionali spesso falliscono

49. Ricerche correnti stanno dimostrando che un singolo marker universale non può esistereAd es: uno dei primi marker di CSC di tumori celebrali ad essere identificato è stato CD133, ma evidenze recenti hanno dimostrato che non tutti i tumori celebrali possiedono popolazione di CSC che sono CD133+ • Inoltre bisogna considerare che: • la possibile esistenza di più popolazioni di CSCs all’interno dello stesso tumore • Non tutti i cancri potrebbero essere guidati da CSCs (Es. IPS:Indiced Pluripotent Stem cell)

50. Types of stem cell: 3)Induced pluripotent (iPS) stem cells