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

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

2 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

3 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

4 Pathway coinvolti nel selfrenewal e nell oncogenesi Ipotesi: le cellule tumorali -capaci di selfrenewal- 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 selfrenewal delle cellule staminali

5 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

7 Rules of Normal Tissue Growth Stem cells self renew--?immortal non-stem cells have finite life span

8 Traditional View of Tumor Growth 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

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

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

11 Origin of the Theory of Cancer Stem Cells Only a small subset of cancer cells is capable of extensive proliferation Liquid Tumors In 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 1 0 tumor cells)

12 Tumor growth is similar to normal tissue growth Normal Tissues Tumor Adult stem cell = undifferentiated Transit amplifying cell Tumor stem cell = tumorigenic Non-tumorigenic cell Normal differentiated cell

13 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 )

14 Evidenze per la presenza di cellule staminali tumorali

15 Hematopoietic Stem Cells Stem Cells Multipotent Progenitors Oligolineage Progenitors Mature Cells CD34- CD38+ CD20+ CD8+ CD8+ CD34+ CD38- CD34- CD38- CD4+ CD4+ CD36+ CD35+ Reya et al Nature 414:

16 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

17 Self-renewal Assay in NOD/SCID Mice (Non-obese diabetic/severe combined immunodeficiency) Cancer Cells ex: Leukaemia cells FACS Cell Sorter CD34 Expression CD38 Expression Sublethally irradiated NOD/SCID Mice

18 Leukaemia stem cells exist in human acute myeloid leukaemia (AML) CD34+/ CD38- LEUKAEMIA Leukaemic blasts from AML patients CD34+/ CD38+ NO LEUKAEMIA John Dick and Dominique Bonnet

19 Leukaemia is arranged as a hierarchy similar to normal haematopoiesis LEUKAEMIA CD34+/ CD38- NORMAL HSC Leukaemogenic events Bulk leukaemia cells (CD34+/CD38- and other cells) lymphoid progenitor myeloid progenitor Block terminal differentiation John Dick and Dominique Bonnet B-cell T-cell Erythrocyte Platelet Monocyte Granulocyte

20 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 CD 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

21 Evidenze da altri tumori Nei tumori solidi si può osservare sperimentalmente una simile struttura gerarchica (i marker sono definiti in maniera meno precisa)

22 Therapeutic predictions of tumor stem cell model Tumor stem cells Non-tumorigenic cells

23 Therapeutic predictions of tumor stem cell model rapid growing cells killed tumor grows back kill stem cells tumor degenerates

Therapeutic implications of Cancer Stem Cells Hypothesis: -Most therapies (chemotherapy and radiation) target rapidly proliferating, non-tumorigenic cells and spare

24 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

25 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

26 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

27 Importanza del topo ricevente e delle condizioni sperimentali

28 I melanomi possono iniziare a partire da una singola cellula

29 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

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