LE CELLULE STAMINALI: dalla ricerca di base alle applicazioni

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)

                   EGC     ECC
            ESC

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
  chimerici                  Iniezione di DNA in un
                              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        PROBLEMATICHE ETICHE E SOCIALI
• Utilizzo di embrioni         • Consenso informato per chi dona gli
  “soprannumerari” derivanti     oociti
  da IVF                       • La blastocisti è già un essere umano o
                                 solo un insieme di cellule?
• Produzione di embrioni
  tramite trasferimento        • La clonazione “terapeutica” è
  nucleare da cellule            veramente diversa da quella
  somatiche di paziente in       “riproduttiva”?
  oociti di donatrici          • Le cellule staminali “clonate” possono
  (“clonazione terapeutica”)     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