CELLULE STAMINALI

Terapie ed utilizzo in medicina

A cura di : Sipione VincenzoTricomi GiovanniValenti Walter

A.A. 2015/2016

Cosa sono le cellule staminali ?

Le possiamo dividere in:

Le cellule staminali sono cellule in grado di differenziarsi in diversi tipi cellulari.Infatti una cellula staminale è tale prima di subire dei processi didifferenziamento, quindi potrà andare a formare tutte le cellule di unorganismo.

TOTIPOTENTI

PLURIPOTENTI

UNIPOTENTI

MULTIPOTENTI

STAMINALI TOTIPOTENTI

Cellule capaci di dividersi e produrre tutte le cellule differenziate in unorganismo, compresi i tessuti extraembrionali. Sono cellule staminalitotipotenti lo zigote e l’embrione fino a 2-4 cellule.

STAMINALI PLURIPOTENTICellule capaci di dividersi e di differenziarsi in uno qualsiasi dei tre fogliettigerminali:

• Ectoderma• Mesoderma• Endoderma

I principali fattori di trascrizione che regolano emantengono la staminalità delle cellule pluripotentisono: SOX2, Nanog, OCT4, Sall 4

STAMINALI MULTIPOTENTI

Cellule in grado di differenziarsi in tutte le cellule del tessuto di appartenenza.

STAMINALI UNIPOTENTI Cellule capaci di differenziarsi in un singolo tipo di cellula; sono anche dette «cellule

precursori». Cellule staminali unipotenti sono gli epatociti.

CELLULE STAMINALI TUMORALI

Questo tipo di cellule staminali rappresentano quella piccola popolazione di cellule che sta alla base del tumore e lo fanno sopravvivere. Infatti massa tumorale sarebbe composta da un gran numero di cellule capaci di proliferare solo in maniera limitata e da cellule staminali tumorali in grado di proliferare a lungo e mantenere il tumore.

LA NICCHIA

La nicchia è il microambiente in cui una determinata cellula staminale vive, èfondamentale sia per il suo mantenimento che per il suo differenziamento. Unesempio è rappresentato dalle cellule mesenchimali che possono essere influenzatedalla nicchia in cui si trovano differenziandosi in cellule muscolari striate o cardiache.

TERAPIE E USO DELLE STAMINALI IN CAMPO MEDICO

Le cellule staminali che trovano applicazioni differenti in campo medico derivano da:

• Cellule staminali embrionali

• Cellule staminali fetali, della placenta e del cordone ombelicale

• Cellule staminali adulte

• Cellule staminali adulte riprogrammate (iPSC)

CELLULE STAMINALI EMBRIONALI

Le cellule staminali embrionali si prelevano dalla blastocisti, un ammasso di cellule che a 5 giorni dalla fecondazione dell’ovulo femminile, misura 1 mm e deve ancora impiantarsi nell’utero. Sono cellule pluripotenti e multipotenti.

Possono essere utilizzate per la cura di molteplici malattie tra cui:

• Morbo di Parkinson

• Malattie della retina

CURA DEL MORBO DI PARKINSON

Una delle cause principali del morbo di Parkinson è la morte dei neuroni che rilasciano la dopamina, un neurotrasmettitore che svolge un ruolo molto importante nel comportamento, nella cognizione e nel movimento volontario. Un team di ricercatori della Lund University, ha dimostrato come il trapianto di neuroni dopaminergici derivati da cellule staminali embrionali possa ripristinare le funzioni motorie in ratti colpiti dal modello animale del morbo di Parkinson. Le cellule trapiantate sono sopravvissute alla procedura e hanno riportato i livelli di dopamina nella normalità entro cinque mesi, ripristinando le funzioni motorie degli animali. Ciò è stato rilevato attraverso tecniche di imaging di risonanza magnetica e PET.

CURA DI DEGENERAZIONE MACULARE E DISTROFIA MACULARE DI STARGARDT

• Degenerazione maculare: questa malattia colpisce la zona centrale della retina, detta macula. Presenta una degenerazione della vista nella zona centrale del campo visivo con una deformazione delle immagini.

• Distrofia maculare di Stargardt: questa malattia è la forma giovanile di degenerazione ereditaria della macula e può essere dovuta a mutazioni del gene ABCA4. Si presenta con alterazione nella percezione di colori e intolleranza alla luce.

Per la sperimentazione della cura di queste duemalattie della retina, attualmente incurabili, sonostate usate delle staminali embrionali indotte adifferenziarsi in cellule dell’epitelio pigmentato dellaretina che da sostegno e nutre le cellule visive.Questa sperimentazione è risultata positiva in 8/18pazienti. Infatti alla fine del periodo di osservazionela vista a questi 8 pazienti è migliorata, pur nontornando alla normalità.

CELLULE STAMINALI FETALI, DELLA PLACENTA E DEL CORDONE OMBELICALE

• Le cellule staminali fetali sono presenti a partire dall’ ottava settimana dopo la fecondazione e ricavate da aborti naturali.

• Le cellule staminali della placenta e del cordone ombelicale vengono prelevate dopo il parto e possono essere conservate in banche anche per decenni grazie al loro utilizzo nei trapianti ematologici.

Le cellule staminali fetali sono oggetto di sperimentazioni riguardanti la cura della SLA.

Le sperimentazioni sono state condotte dal professore di biologia dell’ Università Milano Bicocca Angelo Vescovi, il quale ha dimostrato la sicurezza del trapianto di cellule staminali umane prelevate da feti abortiti spontaneamente. La prima parte di queste sperimentazioni conclusa nel giugno del 2015 ha anche dimostrato che in tre pazienti si è avuto un beneficio neurologico. La seconda parte della sperimentazione partirà nel 2016 su 70 pazienti.

CURA DELL’INFARTO DEL MIOCARDIO

Lo studio effettuato dal Dott. Massimiliano Gnecchi ha dimostrato che è possibile ottenere dalla placenta umana cellule staminali fetali che curano il danno effettuato dall’ infarto del miocardio. Queste si moltiplicano velocemente e producono molecole che proteggono il cuore e favoriscono la formazione di vasi sanguigni indispensabili per la nutrizione del tessuto miocardico.

CELLULE STAMINALI DELLA PLACENTA

Inoltre lo stesso studio è riuscito ad identificare dei microRNAche riescono a migliorare fino a cinque volte la capacità di differenziamento delle cellule staminali in cardiomiociti. In particolare il mir-499 reprime i geni target di Sox6 e Rod1, due importanti fattori di trascrizione, aumentando la cardiomiogenesi sia in vivo che in vitro.

CELLULE STAMINALI ADULTE

Sono cellule staminali presenti in numerosi tessuti capaci di dare origine a cellule di ricambio per mantenere fisiologicamente in equilibrio il tessuto.

DOVE SI TROVANO LE CELLULE STAMINALI NELL’ ADULTO?

• Cervello• Occhio (retina)• Polpa Dentale• Seno• Midollo Osseo• Muscoli • Intestino • Pelle • Gonadi

Tra le cellule staminali adulte sono di particolare importanza le cellule del midollo osseo che possiamo dividere in:

Ematopoietiche : danno origine a tutte le cellule del sangue (Leucociti, Eritrociti e Piastrine)

Mesenchimali: danno origine a cellule della linea tessutale, in particolare del tessuto connettivo (Condrociti, Adipociti e Osteociti)

TRAPIANTO DI CELLULE STAMINALI EMATOPOIETICHE

È una procedura medica utilizzata in ematologia ed oncologia per pazienti affetti da malattie del sangue o del midollo osseo quali mieloma multiplo e leucemia. Il trapianto può essere suddiviso in base alla provenienza delle cellule staminali ematopoietiche e dunque è distinto in:

• Autologo : le cellule staminali derivano dallo stesso paziente e vengono rinfuse nel suo corpo facendo riprendere la corretta produzione di cellule ematopoietiche. Nei pazienti in cui si pratica questo tipo di trapianto il rischio di rigetto è minimo.

• Allogenico: le cellule staminali derivano da un paziente donatore compatibile con il tessuto del ricevente.

In entrambe le modalità è necessaria una soppressione temporanea del sistema immunitario tramite Chemioterapia o Radioterapia.

MALATTIE CURABILI CON TRAPIANTO DI CELLULE STAMINALI ADULTE

Esistono diverse categorie di malattie curabili con il trapianto di cellule staminali adulte

• Leucemie e linfomi

• Malattie del midollo osseo

• Disturbi ereditari del sistema immunitario

• Emoglobinopatie

• Disturbi metabolici ereditari

LEUCEMIE E LINFOMI

• Leucemia acuta mieloide (AML)

• Leucemia linfoblastica acuta (ALL)

• Leucemia linfatica cronica (LLC)

• Leucemia cronica mieloide (LMC)

• Leucemia mielomonocitica giovanile

• Linfoma di Hodgkin

• Linfoma di non-Hodgkin

MALATTIE DEL MIDOLLO OSSEO

• Anemia plastica grave

• Anemia di Fanconi

• Emoglobinuria parossistica notturna(EPN)

• Aplasia eritroide pura

• Trombocitopenia congenita

DISTURBI DEL SISTEMA IMMUNITARIO

• Immunodeficienza combinata grave (SCID)

• Sindrome di Wiskott-Aldrich (WAS)

EMOGLOBINOPATIE

• β-talassemia major

• Anemia falciforme

DISTURBI METABOLICI EREDITARI

• Malattia di Krabbe (GLD)

• Sindrome di Hurler (MPS-IH)

• Adrenoleucodistrofia (ALD)

• Leucodistrofia metacromatica (MLD)

SCLEROSI MULTIPLAÈ una malattia autoimmune demielinizzante che colpisce il SNC rendendo difficoltosa la comunicazione tra cervello e midollo spinale. In stadio avanzato reca disabilità fisica e cognitiva.

Sono stati fatti dei grandi passi avanti per la cura della sclerosi multipla. Infatti la cura con cellule staminali ematopoietiche sembra avere degli effetti migliori rispetto alla tradizionale cura con Mitoxantrone. Coloro che hanno ricevuto il trapianto hanno presentato l’80% in meno di nuove lesioni cerebrali.

iPSCLe iPSC sono cellule staminali pluripotenti indotte che derivano da cellule somatiche riportate allo stadio di pluripotenza. I pionieri della riprogrammazione cellulare sono stati Kazutoshi Takahashi e Shinya Yamanaka.

PRODUZIONE DI iPSC

Le iPSC vengono prodotte per trasduzione di geni associati alle staminali all’interno di cellule non pluripotenti (es. Fibroblasti adulti). Nella trasduzione vengono utilizzati retrovirus. I geni trasdotti includono regolatori come OTC3 e SOX2. Dopo 4 settimane le cellule assumono caratteristiche morfologiche e biochimiche simili alle staminali.

NUOVO METODO PER CREARE iPSC

Obokata e il suo team hanno dimostrato sui topi che una cellula somatica può essere riprogrammata in iPSC tramite determinati da fattori ambientali (pHbasso). In risposta a stress ambientali ritornano immature e non differenziate. Questo processo è stato nominato «Acquisizione di pluripotenza innescata da stimolo (STAP)»

POSSIBILI TERAPIE CON iPSC

• Lesioni spinali

• Diabete

• Osteopetrosi

CURA DELLE LESIONI SPINALI

Esperimenti condotti su topi hanno mostrato come sia possibile ricostruire migliaia di assoni neuronali partendo da iPSC umane. Lo studio, che è stato condotto da ricercatori dell’Università della California a San Diego, non è riuscito ad ottenere un recupero funzionale degli arti paralizzati ma ha mostrato la creazione di sinapsi con i neuroni originali.

CURA DEL DIABETE

Sono state prodotte cellule beta produttrici insulina in una paziente affetta da diabete di tipo 1. Queste cellule sono state create partendo da un ovocita non fecondato e sostituendo il suo nucleo con quello di una cellula epiteliale della paziente stessa. Gli studi effettuati da ricercatori del New York Stem Cell Foundation e della Columbia University hanno rivelato che tipo di trattamento è possibile per altre patologie neurologiche, cartilaginee ecc..

CURA DELL’ OSTEOPETROSI

L’osteopetrosi è una malattia genetica causata da un’eccessiva mineralizzazione dell’ osseo che ne causa una maggiore densità, minore elasticità con conseguente aumento della fragilità.

LA CURA: dopo aver sostituito la porzione di DNA contenente la mutazione del gene TCIRG1 contenute negli osteoclasti mutati, dalle iPSC vengono prima coltivate cellule del sangue, spinte successivamente e differenziarsi in osteoclasti con ritrovata funzionalità.

CREAZIONE DI ORGANI UMANI IN LABORATORIO

Negli ultimi anni, tramite cellule staminali, si sono potuti ricreare piccoli organi umani. Tramite le ricerche e la conoscenza delle cellule staminali gli scienziati hanno supposto che in un prossimo futuro sarà possibile costruire all’interno dei laboratori interi organi umani. Una scoperta che un domani permetterà di poter risolvere l’attuale e drammatico problema legato alla scarsità di organi da poter trapiantare nei momenti necessari.

ORGANI RIPRODOTTI IN LABORATORIO

• Cervelletto

• Retina

• Fegato

• Cuore

CORTECCIA DEL CERVELLETTOLa corteccia cerebellare ha in linea generale una struttura costituita da tre strati sovrapposti di neuroni di tipo differente: cellule a canestro, cellule di Purkinje e granuli costituiti dalle cellule di Golgi. Il ricercatore Keiko Muguruma e il suo team hanno scoperto che se si ha differenziamento in neuroni nelle colture di staminali del fattore di crescita dei fibroblasti 2 (FGF2), la somministrazione del fattore di crescita FGF19 determina un ulteriore differenziamento con diversi tipi di neuroni disposti correttamente lungo gli assi spaziali.

La somministrazione di un terzo fattore di crescita SDF1 fa assumere alle cellule la definitiva struttura multistrato della corteccia cerebellare.

RETINA

I ricercatori della John’s Hopkins University hanno ricreato in vitro partendo la iPSC, una retina umana in miniatura che è anche capace di percepire la luce. Hanno generato tutti i principali tipi di cellule retiniche, ovvero: gangliari, amacrine, bipolari, orizzontali ma soprattutto coni e bastoncelli. Tutte le cellule non solo occupavano la propria posizione fisiologica ma erano anche in grado di trasformare la luce in un impulso elettrico. Dunque le iPSC sono in grado di dare origine ai progenitori di tutta la gamma delle cellule retiniche.

FEGATO

Durante le prime fasi dell’organogenesi del fegato, alcune cellule epatiche si differenziano dalla porzione anteriore dell’endoderma formando una massa di tessuto che viene presto vascolarizzata. Un gruppo di ricercatori capitanato da Takanori Takebe e Hidechi Taniguchi (Yokohama University) hanno utilizzato iPSC umane differenziandole in cellule dell’endoderma. Queste, una volta mescolate con cellule endoteliali primarie ottenute da staminali mesenchimali, hanno ottenuto una struttura primordiale simile al primo abbozzo di fegato presente allo stadio embrionale dell’organismo. Tale fegato è stato in seguito trapiantato con successo nel tessuto epatico dei topi in tre siti: due nell’addome e uno nel cranio dei roditori.

CUORE

Il tessuto cardiaco è costituito da: cellule muscolari striate e lisce, cellule pacemaker che innescano e mantengono il battito e da fibre del Purkinje che propagano l’impulso elettrico in tutto ulcuore.

I ricercatori dell’ Università della California e Berkley e dell’ GladstoneInstitute of Cardiovascolar Disease a San Francisco hanno esposto a fattore di crescita iPSC ricavate da tessuto epiteliale ottenendo camere cardiache di circa 600 µm. Queste cellule sono riuscite a sviluppare un battito simile a quello del cuore umano dando la possibilità di testare i possibili effetti negativi dei farmaci sullo sviluppo del cuore.

BIBLIOGRAFIAIntroduzione:

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Cura della sclerosi multipla

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Nuova produzione iPSC

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Cura delle lesioni spinali

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Cura del diabete

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Cura dell’osteopetrosi

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Creazione corteccia del cervelletto

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Creazione retina

http://www.nature.com/ncomms/2014/140610/ncomms5047/full/ncomms5047.html

Creazione fegato

http://www.nature.com/nature/journal/v499/n7459/full/nature12271.html

Creazione cuore

http://www.nature.com/articles/srep08883