LE CELLULE STAMINALI: dalla ricerca di base alle applicazioni
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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
Tutte queste
grandecaratteristiche
potenziale proliferativo
e la possibilità di
manipolarle
• Sono capaci fisicamente e geneticamente rendono le
di autorinnovamento
cellule staminali
• Possiedono ampie oggetto di estremo
potenzialità interesse in
differenziative:
diversi campi di ricerca e di terapia clinica, grazie
– Totipotenza
alle attuali sofisticate tecnologie.
– Pluripotenza
Nel contempo, la trasposizione delle ricerche dagli
– Multipotenza
“animali” all’uomo, introduce implicazioni etiche che
• Sono presenti
pongono in tuttistessa
la ricerca gli stadi di sviluppo:
al centro dell’interesse di
– Embrionale
altre discipline(ESC)
(anche non scientifiche).
– Fetale (FSC)
– Adulto (ASC)
• Provvedono:
– allo sviluppo embrionale e fetale
– alla rigenerazione ed all’omeostasi di organi adulti
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.
• 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
ESCCaratteristiche 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 asimmetricheApplicazioni
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
• Utilizzo di embrioni SOCIALI
“soprannumerari” derivanti • Consenso informato per chi dona gli
da IVF oociti
• Produzione di embrioni • La blastocisti è già un essere umano
tramite trasferimento o solo un insieme di cellule?
nucleare da cellule • La clonazione “terapeutica” è
somatiche di paziente in veramente diversa da quella
oociti di donatrici “riproduttiva”?
(“clonazione terapeutica”)
• 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?”)Fonti “alternative” di staminali pluripotenti
Potenziali fonti di hESC Biopsia di singoli blastomeri
Potenziali fonti di hESC coltura di morule “morte”
Potenziali fonti di hESC
PartenotiLa “riprogrammazione cellulare” Se le cellule differenziate originano da cellule staminali, è possibile ottenere cellule staminali da cellule differenziate? Il differenziamento è una “trasformazione reversibile”?
La “riprogrammazione cellulare”
L’idea è:
Prendere una
cellula matura da
un organo
qualsiasi per
trasformarla in
cellula
pluripotenteRiprogrammazione cellulare mediante
trasferimento nucleare
“…Mi sembrava chiaro che l'esperimento più
importante, trapiantare nuclei da cellule
differenziate, dovesse ancora essere fatto”
(Gurdon, 1962)La clonazione dei
mammiferi: Dolly
Wilmut et al, 1997Geni della pluripotenza
• Perché le cellule
differenziate perdono la
pluripotenza?
• Pur contenendo lo stesso
genoma delle cellule
capostipiti, non lo
“esprimono” nella stessa
maniera
– Un gene si “esprime”
producendo mRNA e
proteina
• Nelle cellule differenziate
alcuni geni sono
“silenziati” o “spenti”Riprogrammazione cellulare
mediante trasferimento di geni
Cellule
staminali
embrionali
Yamanaka e Blau, 2010 Cellule
• 4 geni importanti per la pluripotenza: staminali
Oct4, Sox2, Nanog, Istone B4. pluripotenti
• Trasferimento dei geni mediante virus indotte (iPS)
in cellule differenziate
• Ottenimento di cellule staminali
pluripotenti indotte (cellule iPS) Fibroblasti
Yamanaka, 2006Le cellule ottenute da Yamanaka erano
davvero pluripotenti?
Neuroni
Cellule del fegato
Cellule muscolari Takahashi et al, 2007Possibili applicazioni delle cellule iPS
L’approccio terapeutico con ESC è promettente
per il trattamento di patologie caratterizzate da
un’estesa morte cellulare, soprattutto a carico
di tessuti con scarsa capacità di rigenerazione:
– Malattie neurodegenerative
– Distrofie muscolari
– Malattie cardiache
– Leucemie
– AIDS
– Malattie geneticheCellule staminali
mesenchimali per la cura
della SLAMa allora Vannoni
aveva ragione???
• Nel brevetto di Vannoni si parla di cellule mesenchimali che si trasformano in neuroni funzionanti in sole
due ore, un tempo di differenziamento cellulare impossibile dal punto di vista biologico e mai
documentato in letteratura. La stessa ricerca del gruppo della Schegelskaya, che aveva ispirato Vannoni nel
2007, parla di un differenziamento ottenuto incubando le cellule di partenza per diversi giorni e con una
concentrazione di acido retinoico pari a un decimo di quella indicata nel brevetto. La conclusione
dell’ufficio brevetti è che, nelle condizioni sperimentali descritte, la comparsa di cellule simil-nervose
sarebbe probabilmente l’effetto di cambiamenti citotossici all’interno della coltura.
• Nel 2013 la rivista Nature scopre che la richiesta di brevetto di Vannoni non contiene solo errori e
omissioni. Una fotografia chiave, che dovrebbe documentare la presenza in coltura delle cellule nervose in
seguito al differenziamento, non è originale. È la stessa pubblicata in una ricerca del 2003, proprio la
ricerca del gruppo della Schegelskaya. Ecco le parole della ricercatrice russa: “Nel suo brevetto sono state
utilizzate due figure pubblicate nei miei articoli (anni 2003-2006) con altri coautori prima di aver
conosciuto Vannoni. Queste figure non possono essere usate in nessun brevetto senza il permesso mio e
dei coautori.” Quell’immagine, dunque, non solo non può testimoniare l’efficacia del protocollo presentato
da Vannoni e dalla sua biologa, poiché raffigura qualcosa che è avvenuto in condizioni sperimentali
completamente diverse, ma costituisce anche una frode scientifica.
• Il risalto è tale che lo studioso e medico giapponese Shinya Yamanaka, premio Nobel per la medicina nel
2012 e presidente della Società Internazionale per la Ricerca sulle Cellule Staminali, pubblica un
comunicato in cui esprime preoccupazione per l'autorizzazione da parte delle autorità italiane di un
metodo del quale non si conosce la sicurezza e privo di qualunque evidenza di efficacia.…e se si utilizzassero cellule staminali
“adulte” per la riprogrammazione?
Alcune cellule staminali dei
tessuti adulti sono
particolarmente “plastiche” o
“versatili”Puoi anche leggere
