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Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

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Page 1: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Cellule staminali e cellule staminali tumorali

Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

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Cellule staminali

• Sono cellule che hanno la capacitá di perpetuarsi indefinitamente (“self-renewal”)

• Attraverso il differenziamento, esse danno vita alle cellule “mature”

• Le cellule differenziate originano dalle cellule staminali del medesimo compartimento

• Plasticitá delle cellule staminali: apparentemente, le cellule staminali di un tessuto possono dare origine anche a cellule mature di altri tessuti

Page 3: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Cellule staminali e cellule tumorali

•Il tumore è costituito da cellule con una capacità di self-renewal

indefinita

•La comprensione dei meccanismi di self-renewal delle cellule staminali

puó aiutarci a comprendere il tumore

Page 4: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Pathway coinvolti nel self-renewal e nell’oncogenesi

• Ipotesi: le cellule tumorali -capaci di self-renewal- utilizzano la “machinery” presente nelle cellule staminali

• Dimostrazione indiretta di tale ipotesi é il fatto che diversi pathway associati all’oncogenesi sono stati coinvolti nel self-renewal delle cellule staminali

Page 5: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

I pathway di Notch, Shh, Wnt

• Notch: l’attivazione di questo pathway é associata ad un aumento del pool delle cellule staminali

• Shh: popolazioni arricchite di cellule staminali umane rispondono in vitro a Shh con un aumentato self-renewal

• Wnt: la sua attivazione espande il pool di cellule staminali, mentre la sua soppressione inibisce la proliferazione delle cellule staminali

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Page 7: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

1

3

2

Stem cells self renew--?immortal non-stem cells have finite life span

Rules of Normal Tissue Growth

Page 8: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

1

3

2

Rules: 1.) Tumors are clonal – starts in a single cell 2.) All tumor cells have infinite lifespan 3.) All tumor cells divide symmetrically

30 cell divisions = 1 billion cells = 1 cm tumor

Traditional View of Tumor Growth

Page 9: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Non-stem tumor model: every cell in a tumor should initiate a new tumor

Page 10: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Experiments showed that very rare cells in a tumorcan transplant a new tumor: Tumor Stem Cells

Page 11: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Origin of the Theory of Cancer Stem Cells

Only a small subset of cancer cells is capable of extensive proliferation

Liquid TumorsIn vitro colony forming assays:

- 1 in 10,000 to 1 in 100 mouse myeloma cells obtained from ascites could form colonies

In vivo transplantation assays:- Only 1-4% of transplanted leukaemic cells could form

spleen colonies

Solid Tumors- A large number of cells are required to grow tumors in

xenograft models- 1 in 1,000 to 1 in 5,000 lung cancer, neuroblastoma

cells, ovarian cancer cells, or breast cancer cell from cell lines can form colonies in soft agar or in vivo (fewer with 10 tumor cells)

Page 12: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Adult stem cell = undifferentiated

Transit amplifying cell

Tumor stem cell = tumorigenic

Tumor growth is similar to normal tissue growth

Normal differentiated cell

Non-tumorigenic cell

Normal Tissues Tumor

Page 13: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Cellule staminali tumorali: organogenesi aberrante

• Il tumore puó essere immaginato come un organo aberrante originato da una cellula trasformata che ha acquisito la capacitá di proliferare indefinitamente attraverso varie mutazioni

• La popolazione tumorale é eterogenea, e spesso contiene cellule a diversi stadi di differenziamento (seppure anomali): data la clonalitá dei tumori, questo dato implica che la progenie delle cellule tumorali si diversifica (“differenzia”)

Page 14: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Evidenze per la presenza di cellule staminali tumorali

Page 15: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Hematopoietic Stem Cells

StemCells

MultipotentProgenitors

OligolineageProgenitors

MatureCells

Reya et al. 2001 Nature 414:105-111

CD34+CD38- CD4+

CD4+

CD35+

CD36+

CD8+

CD8+

CD20+CD34-CD38+

CD34-CD38-

Page 16: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Cellule staminali ematopoietiche

• Le cellule caratterizzate con maggiore precisione, grazie ad esperimenti di ripopolamento di topi letalmente irradiati e ricostituiti con popolazioni cellulari altamente purificate a partire dal midollo osseo

• Le cellule staminali (0.05% delle cellule totali del midollo) danno origine ai progenitori ematopoietici che perdono il loro potenziale di self-renewal

Page 17: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Self-renewal Assay in NOD/SCID Mice(Non-obese diabetic/severe combined immunodeficiency)

Sublethally irradiated NOD/SCID Mice

FACS Cell Sorter

Cancer Cellsex: Leukaemia cells CD38 Expression

CD

34 E

xpre

ssio

n

Page 18: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Leukaemia stem cells exist in human acute myeloid leukaemia (AML)

Leukaemic

blastsfrom

AML patients

CD34+/ CD38-

CD34+/ CD38+

LEUKAEMIA

NO LEUKAEMIA

John Dick and Dominique Bonnet

NOD/ SCIDmice

Page 19: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Leukaemia is arranged as a hierarchy similar to normal haematopoiesis

B-cell T-cell Erythrocyte Platelet Monocyte Granulocyte

CD34+/ CD38-

lymphoidprogenitor

myeloidprogenitor

HSC

NORMALLEUKAEMIA

Leukaemogenicevents

Bulk leukaemiacells (CD34+/CD38- and other cells)

Block terminaldifferentiation

John Dick and Dominique Bonnet

Page 20: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Le cellule staminali tumorali come meccanismo di mantenimento del tumore

1. Isolamento di sub-popolazioni cellulari con marcatori di superficie caratteristici delle SC normali (CD34+CD38-), o di cellule piú differenziate, da blasti leucemici di pazienti affetti da varie forme di leucemia mieloide acuta

2. Reinoculo di queste cellule in topi NOD/SCID ed analisi della loro capacitá leuchemogenica

3. Mentre le cellule CD34+38- sono leuchemogeniche, quelle CD34+CD38+ non possono trasferire la leucemia nell’animale immunocompromesso

4. Le cellule tumorali non sono tutte uguali, e le CSC sono responsabili del mantenimento della massa tumorale

Page 21: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Evidenze da altri tumori

Nei tumori solidi si può osservare sperimentalmente una simile struttura gerarchica (i marker sono definiti in

maniera meno precisa)

Page 22: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Tumor stem cells

Non-tumorigenic cells

Therapeutic predictions of tumor stem cell model

Page 23: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

tumor grows back

tumor degenerates

Therapeutic predictions of tumor stem cell model

rapid growing cells killed

kill stem cells

Page 24: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Therapeutic implications of Cancer Stem Cells

Hypothesis:-Most therapies (chemotherapy and radiation) target rapidly proliferating, non-tumorigenic cells and spare the relatively quiescent cancer stem cells-Cell surface pumps-Cancer stem cells have greater invasive and migratory properties and can home to specific tissue niches

Page 25: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Cancer stem cells sono più resistenti alle terapie antitumorali

Page 26: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Experimental modelsin vitro models (ex vivo )

• Cultured cell from human gliomas:D456MGD54MG

• Patient glioblastoma samples

in vivo models

• Human xenograft models in immunocompromised mice

Page 27: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Brain tumor stem cells: identified by intracranial transplantation of CD133+ cells into adult NOD/SCID

mouse forebrain.

CD133+

CD133+

CD133-

Singh et al. 2004 Nature 432: 396-401

Page 28: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Resistance to radiation:

→ given by CD133+

Page 29: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

• Glioma xenograft D456MG:

in vivo CD133+ enrichment after radiation

→enriched CD133+ population 48h after radiation (3-5x)

Page 30: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

in vitro CD133+ enrichment after radiation

• Cultures from human glioma xenograft (D54MG):

→48h after radiation: 3x enrichment

• Patient glioblastoma samples:

Page 31: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Irradiation effects at molecular level

Early DNA damage checkpoint responses (phosphorylation) checked before treatment and after 1h.Higher amount of phosphorylated proteins in CD133+.

Early DNA damage checkpoint responses:

Page 32: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

CD133+ subpopulation has

cancer stem cell properties

Page 33: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

in vivo tumorigenic potentialof purified CD133+ tumor cells

D456MG CD133- (2 x 106) formed small tumors in 2 out of 5 xenotransplanted in immunocompromised mice.

CD133+ cells (104) from patient sample or xenograft transplanted into brains of immunocompromised mice. Brain observed at appearence of neurological signs or after 8 weeks.

in vitroirradiation

Page 34: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Domanda fondamentale

È sufficiente attaccare esclusivamente le CSC?

Nessuno ha finora dimostrato che l'incapacità di self-renewal delle CSC

sia sufficiente ad impedire lo sviluppo di un tumore

Page 35: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Promyelocytes

Chr 15

Chr 17

t(15;17)

Acute Promyelocytic Leukemia (APL)

Myeloid differentiation

Monoblast

Page 36: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Leukemogenesis is a multi-stage process

Leu

kem

ia-f

ree

surv

ival

(%

)

Pre-leukemia

At the pre-leukemic stage, hematopoiesis is apparently normal

Page 37: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Molecular mechanism ofPML-RAR action

From DeThe and Chen

RA

DNMT/HMTs

Page 38: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

tumor grows back

PML-RAR degradation

APL Tumor Recurrence

LICs

Bulk Cells

ATRA

ATRA acts on bulk APL cells, and on LICs

Page 39: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Continuous treatment with HDACi is required for prolonging survival of leukemic mice

Page 40: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Continuous treatment with HDACi is required for prolonging survival of leukemic mice

tumor grows back

rapid growing cells killed

Page 41: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

An assay to measure LICs

Leukemic Cells (Ly5.2)

Drug treatment

Harvest leukemiccells (Ly5.2+)

treated/untreated

(Ly5.1+)

Transplant in Limiting Dilutions

BulkLIC

Vehicle

Treatment

No Effect

LIC Expansion

LIC Reduction

(Ly5.1+))

Page 42: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

An assay to measure LICs

BulkLIC

Vehicle

Treatment

No Effect

LIC Expansion

LIC Reduction

Leukemic Cells (Ly5.2)

Drug treatment

Harvest leukemiccells (Ly5.2+)

treated/untreated

(Ly5.1+)

Transplant in Limiting Dilutions

(Ly5.1+)

ATRA treatment reduces LIC frequency ≈ 100 fold

Page 43: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

VPA spares LICs

Vehicle VPA

LIC Frequency 2.5x10^4 3.9x10^4

Limiting Dilution

Page 44: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Short-term inhibition of multiple HDACs with SAHA tackles LICs but does not prolong survival

Survival

Vehicle SAHA

LIC Frequency 2.5x10^4 2.3x10^6

LIC assay

Page 45: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Leukemia Tumor Recurrence

VPA

SAHA

LICs

Bulk Cells

ATRA

In Summary…

?

Page 46: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Eradication of APL by ATRA-SAHA-VPA

No leukemic cells detectable

Page 47: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Self-renewal Assay in NOD/SCID MiceFor solid tumors: surgical orthotopic implantation (SOI)

FACS Cell Sorter

Solid TumorSingle CellSuspension

Mince (small pieces)

Surgical Implantation

CD24 Expression

CD

44 E

xpre

ssio

n

Page 48: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

CD 44 staining of breast cancer model

T. A. Ince 2001

Page 49: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Breast Cancer Stem Cells: CD44+ CD24low Lin- B38.1+ ESA+

CD44 and CD24 – adhesion moleculesB38.1 – breast/ovarian cancer-specific markerESA – epithelial specific antigen

Al-Hajj (2003) PNAS 100, 3983

Page 50: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?
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Page 53: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Transplantation into the cleared fat pad of syngenic mice:

• WT mammospheres form a normal breast tissue

• ErbB2 mammospheres form tumors

1. Are Clonal in origin

2. Grow serially (self-renewal)

3. Contain SCs

Biological characterization of WT and ErbB2 Mammospheres

Page 54: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

decrease in number during passages (limited lifespan)

Analysis of the replicative potential of Normal and Tumor mammospheres:

(serial growth)WT

increase in number during passages (near-immortal)

ErbB2

R2: 0,98 502%

decrease

101

105

103

10-1

WT

R2: 0,99 64%

decrease

ErbB2 : fixed increase at every passage (502%)

WT : fixed decrease at every passage (64%)

(exponential curves)

ErbB2

Page 55: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Stem Cell divisions permit generation of more SCs (‘self-renewal’) and

production of cells that differentiate

1. Asymmetric cell division

Pr.

SC

SC

Each SC divides to generate one daughter with SC fate and one that differentiates (progenitror)

Mechanisms:

1. Asymmetric localizzation of cell polarity (PINS and aPKC) and cell fate determinants (Numb and Prospero)

2. Asymmetric placement of daughter cells relative to the stem cell nicheThis strategy leaves stem cells

unable to expand in number

Page 56: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

2. Symmetric cell division

Each SC divides to generate daughter cellsthat are destined to acquire the same fate

SC

SC

Pr.

SC

SC

Limited data available on the modes of division of mammalian SCs:

1. Some mammalian SCs use conserved mechanism to divide asymmetrically;

2. Mammalian SCs can expand in number during development (HSCs, Neural and Epidermal SCs) or after injury (neural SCs after stroke or HSCs after chemotherapy).

Page 57: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

ErbB2

Asymmetric10,3%

Symmetric78,2%

Uncertain11,5%

WT

Asymmetric59,5%Symmetric

7,2%

Uncertain33,3%

Increased frequency of Symmetric Divisions in tumor cells (ErbB2) vs WT cells

Page 58: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Nuovi risultati e incertezze• I dati di maggiore rilevanza a supporto della teoria delle

CSC derivano da xenotrapianti di cellule tumorali umane in topi immunocompromessi

• Molto recentemente è apparso un lavoro molto importante sulla caratterizzazione delle CSC nel melanoma, dove emerge che:– almeno in questo tumore, il numero di cellule con caratteristiche di

CSC è altissimo (se si accettano alcune assunzioni, si arriva quasi al 100% delle cellule): se tutte le cellule sono CSC, le CSC non esistono

– i protocolli sperimentali per gli xenotrapianti possono influenzare l’attecchimento di determinate sottopopolazioni

Page 59: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Importanza del topo ricevente e delle condizioni sperimentali

Page 60: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

I melanomi possono iniziare a partire da una singola cellula

Page 61: Cellule staminali e cellule staminali tumorali Quali cellule sono responsabili per la crescita del tumore?

Ci sono modelli complementari/alternativi?

• Plasticità fenotipica: non c’è una vera e propria gerarchia (staminale->non-staminale), ma diversi stati cellulari determinati dalle condizioni “ambientali” (microambiente e segnali)– La stessa cellula può assumere reversibilmente

morfologia diversa, espressione di diversi pattern trascrizionali e non di mutazioni irreversibili, manifestando nei suoi diversi fenotipi una maggiore o minore propensione alla “staminalità”