I compartimenti staminali nei tessuti: sede, meccanismi, potenzialità terapeutiche

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1 I compartimenti staminali nei tessuti: sede, meccanismi, potenzialità terapeutiche

2 Le cellule staminali dell epidermide

3 Il follicolo pilifero contiene cellule staminali multipotenti Cellule staminali multipotenti (dell epidermide, del pelo e della ghiandola sebacea)

4 Sonic Hedgehog (Hh)

5 Il sistema Delta-Notch regola il differenziamento dell epidermide Delta Notch Le interazioni in trans Delta-Delta controllano il mantenimento della staminalità Le interazioni in trans Delta-Notch favoriscono il passaggio al compartimento di amplificazione transiente

6 La trasduzione del segnale del sistema Delta-Notch Delta Notch

7 I sistemi segnalatori che controllano il differenziamento dell epidermide Mantenimento della staminalità: Wnt, Sonic Hedgehog Integrina β1 Differenziazione in cellule del compartimento di amplificazione transiente: Espressione di geni specifici: Myc Delta-Notch

8 Il differenziamento degli osteoblasti Derivano da precursori mesenchimali Il differenziamento è legato all attività di Cbfa-1 (Runx2), un fattore trascrizionale che controlla l espressione di osteocalcina

9 Il differenziamento del muscolo striato Le fibre muscolari scheletriche si formano per fusione dei mioblasti

10 Il programma genetico di differenziazione del muscolo striato Fibroblasti Fibra muscolare striata derivata da fibroblasti che esprimono ectopicamente MyoD

11 Le cellule staminali del muscolo Cellula satellite

12 Le cellule staminali del sistema nervoso centrale Regioni di proliferazione e rinnovamento neuronale sono state identificate nelle zone sottoventricolari e nel giro dentato dell ippocampo Nella zona sottoventricolare, cellule staminali multipotenti danno origine a precursori del compartimento di amplificazione transiente. Questi progenitori possono differenziare in neuroni, oligodendrociti e astrociti

13 Lo sfruttamento terapeutico delle cellule staminali

14 Persone negli Stati Uniti affette da malattie che potrebbero essere alleviate dalla ricerca sulle cellule staminali Malattie cardiovascolari 58 milioni Malattie autoimmuni 30 milioni Diabete 16 milioni Osteoporosi 10 milioni Malattia di Alzheimer 5.5 milioni Malattia di Parkinson 5.5 milioni Ustioni 0.3 milioni Traumi spinali 0.25 milioni Difetti alla nascita 0.15 milioni/anno Perry, Science 287: 1423, 2000

15 Due esempi di terapia con cellule staminali Epidermide Impalcatura Midollo osseo Cellula staminale Sospensione cellulare con selezione per Integrina β1 Aggiunta di fibroblasti del derma Cellula staminale Espansione ex vivo Espansione ex vivo Derma artificiale Aggancio su particelle di idrossiapatite Trapianto su perdite di sostanza Trapianto su difetti segmentali

16 Plasticità differenziativa delle cellule staminali embrionali: un fatto

17 Il trasferimento nucleare somatico (clonazione) Pecora adulta Fibroblasti di cute Enucleazione dell ovocita Trasferimento del nucleo somatico nell ovocita mediante scossa elettrica Nucleo somatico all interno dell ovocita Coltura dell embrione Viable offspring derived from fetal and adult mammalian cells Wilmut et al., Nature 385: 810, 1997 Trasferimento dell embrione in una pecora accettrice

18 La clonazione terapeutica Nucleo del paziente Oocita enucleato Trasferimento nucleare Morula Blastocisti Cellule totipotenti derivate dalla massa cellulare interna Induzione del differenziamento verso il tessuto di interesse Trapianto nel paziente

19 L isolamento e lo sfruttamento terapeutico di cellule staminali embrionali umane pluripotenti: uno dei maggiori falsi della storia scientifica recente

20 La riprogrammazione di cellule somatiche dell adulto: le speranze di una scoperta recentissima

21 L Emopoiesi

22 Vita media delle cellule del sangue Eritrociti: 120 giorni Neutrofili: 6 ore in circolo; pochi giorni nei tessuti Eosinofili: 8-12 giorni Basofili:? Linfociti:? Monociti: 14 ore in circolo; mesi-anni nei tessuti (macrofagi) Piastrine: 8-12 giorni

23 L emopoiesi è un processo differenziativo gerarchico probabilistico

24 L emopoiesi è un processo differenziativo che origina da cellule staminali multipotenti

25 Le tecnologie al servizio della medicina: l isolamento prospettico delle cellule staminali emopoietiche

26 Il primo passo: I saggi di ripopolamento midollare

27 I passi successivi: Produzione di anticorpi monoclonali diretti contro le proteine di superficie delle cellule emopoietiche Isolamento e purificazione delle cellule legate dagli anticorpi mediante FACS (Fluorescence Activated Cell Sorting)

28 Il destino differenziativo delle cellule staminali multipotenti LT-HSC (Long-term hematopoietic stem cells): - Sono le cellule staminali per eccellenza - Nei saggi di ripopolamento midollare, sono immortali (si autorinnovano eternamente) - Alcune di loro danno origine alle ST-HSC ST-HSC (Short-term hematopoietic stem cells): - Derivano in modo irreversibile dalle LT-HSC - Sono mortali (si autorinnovano per non più di 6 settimane) - Alcune di loro danno origine ai progenitori multipotenti

29 Frizzled Wnt Il contatto con le cellule stromali Midollari (la nicchia ) è necessario per il mantenimento della staminalità.

30 L emopoiesi è un processo differenziativo gerarchico probabilistico

31 La gerarchia evolutiva dell emopoiesi: i destini differenziativi

32 La gerarchia evolutiva dell emopoiesi: Le fasi tardive

33 La linea eritroide

34 La linea eritroide proeritroblasto eritroblasto basofilo eritroblasto policromatico eritroblasto ortocromatico reticolocita

35 La linea mieloide

36 La linea mieloide Metamielociti Mieloblasto Mielocita (neutrofilo, eosinofilo o basofilo) Promielocita

37 Le leucemie sono tumori del sistema emopoietico che originano dalla aumentata sopravvivenza e dalla mancata differenziazione terminale dei precursori mieloidi e linfoidi

38 Leucemie mieloidi acute M0-M1-M2: leucemie mieloblastiche M3: leucemia promielocitica M4: leucemia mielo-monocitica M5: leucemia monocitica M6: leucemia eritroblastica M7: leucemia megacarioblastica

39 Leucemia mieloide acuta accumulo di mieloblasti e promielociti

40 Leucemia mieloide cronica accumulo di mielociti e metamielociti

41 Il megacariocita

42

43 I fattori di crescita che regolano l emopoiesi Interleuchina 3 (IL3): - Prodotta da linfociti T - Bersagli: precursori precoci degli eritrociti (BFU-E) Eritropoietina (EPO): - Prodotta dal rene - Bersagli: precursori tardivi degli eritrociti (CFU-E) Granulocyte-Macrophage Colony Stimulating Factor (GM-CSF): - Prodotto da linfociti T, fibroblasti, cellule endoteliali - Bersagli: precursori dei granulociti e dei macrofagi (GMP) Granulocyte Colony Stimulating Factor (G-CSF): - Prodotto da macrofagi e fibroblasti - Bersagli: GMP, mieloblasti Macrophage Colony Stimulating Factor (M-CSF): - Prodotto da macrofagi, fibroblasti e cellule endoteliali - Bersagli: GMP, monoblasti

44 La trasduzione del segnale dei fattori di crescita emopoietici/1

45 La trasduzione del segnale dei fattori di crescita emopoietici/2

46 I fattori di crescita dell emopoiesi controllano l attività di diversi repertori di fattori trascrizionali Pax-5

47 L emopoiesi è un processo differenziativo gerarchico probabilistico

48 I fattori di crescita emopoietici forniscono segnali permissivi, non istruttivi

49 I fattori di crescita emopoietici regolano la probabilità di attuazione di una serie di parametri controllabili Frquenza di divisione della cellula staminale Probabilità di morte della cellula staminale Probabilità di autorinnovamento o differenziamento della cellula figlia Tempo di divisione del precursore commissionato Probabilità di morte del precursore commissionato Numero di divisioni cellulari del precursore commissionato prima della differenziazione terminale Aspettativa di vita delle cellule differenziate

50 I tessuti emopoietici

51 Il midollo osseo Compartimento stromale: - Adipociti, fibroblasti, macrofagi e cellule endoteliali dei sinusoidi - Collagene reticolare, fibronectina Compartimento emopoietico: - Precursori delle cellule mature del sangue a diverso grado di maturazione

52 Il midollo osseo Midollo rosso: - Dotato di intensa attività emopoietica - Abbondante presenza di precursori eritroidi - Presente nelle ossa piatte e nelle vertebre Midollo giallo: - L attività emopoietica è silente, ma può essere ripristinata - Abbondante presenza di adipociti - Presente nelle epifisi delle ossa lunghe

53 Midollo osseo emopoietico (rosso)