La Cellula Staminale

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1 Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia A.D.E. Le CelluleStaminali 17 maggio 2016 Cinzia Di Pietro Dipartimento di Scienze Biomediche e Biotecnologiche Sezione di Biologia e Genetica G Sichel

2 La Cellula Staminale Cellula capace di dare origine a tutte le popolazioni cellulari di uno o più tessuti

3 La Cellula Staminale Le cellule staminali possiedono la capacità di rinnovarsi e di differenziarsi sono in grado di generare cellule figlie identiche alla cellula madre (capacità di rinnovo) sono in grado di produrre una progenie di cellule con potenziale differenziativo (capacità di differenziamento)

4 La Cellula Staminale

5 Classificazione Totipotente Pluripotente Multipotente Unipotente Cellule Staminali Pluripotenti indotte ipsc Cellule Staminali del cancro

6 hescs

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10 Classificazione Cellule Staminali Embrionali (ESCs) Cellule Staminali dell Adulto Cellule Staminali Riprogrammate Cellule staminali Pluripotenti indotte (ipscs) Trasferimento di nuclei di cellule somatiche differenziate in ovociti (SCNTs)

11 Le cellule embrionali staminali (in sigla ES da Embryonic Stem cell), hanno come caratteristica principale l'elevata capacità di differenziarsi in qualsiasi altro tipo cellulare. Inoltre è possibile mantenerle in coltura per un lungo periodo di tempo.

12 hescs

13 Embryonic stem (ES) cells: Challenges skin embryonic stem cells neurons blood? liver

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15 hescs Capacità di divisione quasi illimitata senza andare in contro a processi di differenziamento

16 Adult Stem Cells Adult stem cells have been identified in most mammalian tissues of the adult body and are known to support the continuous repair and regeneration of tissues. Adult stem cells are clonogenic, self-renewing with a plasticity to differentiate into cell types of the particular tissue in which they reside

17 Stem cell niches Niche Microenvironment around stem cells that provides support and signals regulating self-renewal and differentiation stem cell niche Direct contact Soluble factors Intermediate cell

18 Adult Stem Cells Adult stem cells are usually located in a specific cellular niche, and niche microenvironment determine the status of stem cell activation, thus ensuring a balance between maintenance of the stem cell pool and production of progenitor cells engaged in tissue differentiation

19 Adult Stem Cells Stem cell microenvironment or niche, which can modulate how stem cells participate in tissue regeneration, maintenance and repair. Stem cell niches are diverse and comprise a variety of cells, extracellular matrices and paracrine hormonal and endocrine signals, which all interact with each other.

20 Adult Stem Cells

21 Le cellule staminali adulte sono purtroppo di difficile reperibilità, poiché numericamente molto scarse; non possono essere coltivate a lungo poiché, dopo alcune divisioni cellulari, tendono a perdere le caratteristiche di pluripotenzialità. Le cellule staminàli embrionali, invece, possono essere mantenute in coltura per moltissimi cicli di divisione, addirittura per più di dieci anni, senza perdere di pluripótenzialità.

22 Adult Stem Cells

23 Pro e Contro Embryonic SC Pluripotent Stable. Can undergo many cell divisions. Adult SC Multipotent Less Stable. Capacity for selfrenewal is limited. Difficult to isolate in adult tissue. Easy to obtain but blastocyst is destroyed (Ethics) Possibility of immune rejection High potential for tumours No ethical concerns Host rejection minimized or absent Less tumorigenic potential

24 Reprogramming

25 In 1997, Sir Ian Wilmut and his team surprised the world by presenting the first cloned mammal, Dolly the sheep, engineered via SCNT. Rudolf J, Young R The generation of live animals by NT demonstrated that the epigenetic state of somatic cells, including that of terminally differentiated cells, while stable, is not irreversibly fixed but can be reprogrammed to an embryonic state that is capable of directing development of a new organism. After Dolly was cloned, it was believed that SCNT would become the method of choice for generating patient-specific pluripotent cells. However, the process is very inefficient and the reprogramming incomplete leading to Dolly s premature death and early onset of a number of degenerative diseases.

26 Reprogramming La clonazione di Dolly aveva dimostrato la capacità dell oocita di riprogrammare i nuclei di cellule terminalmente differenziate. La riprogrammazione avviene grazie a fattori presenti nel citoplasma dell oocita fecondato.

27 Dr. Shinya Yamanaka, PhD Dr. Kazutoshi Takahashi, PhD Human ipscs

28 ipscs 24 candidate genes for pluripotency factors Ecat1, Dpp5(Esg1), Fbx015, Nanog, ERas, Dnmt3l, Ecat8, Gdf3, Sox15, Dppa4, Dppa2, Fthl17, Sall4, Oct4, Sox2, Rex1, Utf1, Tcl1, Dppa3, Klf4, b-cat, cmyc, Stat3, Grb2

29 ipscs (Geoghegan and Byrnes, 2008)

30 ipscs

31 ipscs

32 Putative role of reprogramming factors during ipsc formation. Stadtfeld M, Hochedlinger K Genes Dev. 2010;24: by Cold Spring Harbor Laboratory Press

33 ipscs Integration Integration free

34 ipscs

35 ipscs

36 mirnas and Stemness

37 Non-coding RNAs in development Fatica A, Bozzoni I Long non-coding RNAs: new players in cell differentiation and development. Nat Rev Genet. 2014

38 ipscs

39 Spinal muscular atrophy refers to a group of autosomal recessive neuromuscular disorders characterized by degeneration of the anterior horn cells of the spinal cord, leading to symmetrical muscle weakness and atrophy. SMA is the second most common lethal, autosomal recessive disease in Caucasians after cystic fibrosis(wirth, 2000). Potential applications of ipscs. spinal muscular atrophy type I (SMA I) is caused by mutation or deletion in the copy of the SMN gene, known as SMN1 Stadtfeld M, Hochedlinger K Genes Dev. 2010;24: by Cold Spring Harbor Laboratory Press

40 ipscs

41 Limiti

42 Limiti

43 Limiti

44 Applicazioni

45 SCNTs

46 SCNTs

47 SCNTs

48 Cancer stem cell theory These CSCs cells persist in tumors as a distinct population that likely causes relapses and metastasis. This theory explains why are many cancers so difficult to treat.

49 WRONG TARGET. Traditional cancer therapies (top) kill rapidly dividing tumor cells (blue) but may spare stem cells (yellow) that can give rise to a new tumor. In theory, killing cancer stem cells (bottom) should halt a tumor's growth lead to its disappearance.

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51 Abbiamo finalmente un nuovo eccezionale obiettivo per la ricerca: le staminali del cancro, ha dichiarato oggi il Professor Umberto Veronesi, Direttore Scientifico dell Istituto Europeo di Oncologia di Milano, nell ambito dell annuale presentazione dei risultati e dei programmi di ricerca dello IEO. Le cellule staminali tumorali non sono altro che cellule, più indifferenziate delle altre, che sono in grado di alimentare la proliferazione del tumore. Sono in pratica il serbatoio dal quale il cancro si approvvigiona. Essere capaci di intervenire su questo serbatoio potrebbe quindi rappresentare la svolta finale per la soluzione globale del problema cancro.

52 Applicazioni Cliniche

53 Applicazioni Cliniche

54 Applicazioni Cliniche

55 Applicazioni Cliniche

56 Applicazioni Cliniche TERAPIA CELLULARE Definizione di protocolli sperimentali e clinici mirati alla applicazione clinica di: -cellule staminali dell'epitelio corneale per la ricostruzione della superficie oculare in diverse patologie, quali ustioni chimiche e termiche associate a deficit di cellule staminali limbari; -cellule staminali dell'epidermide in diverse patologie cutanee, quali ustioni di terzo grado, ulcere croniche degli arti inferiori, malattie della pigmentazione; - cellule staminali dell'epitelio congiuntivale, uretrale e buccale per la cura di patologie quali distruzioni traumatiche dell epitelio congiuntivale, sindrome dell occhio secco, ipospadia posteriore, stenosi uretrali recidivanti, chirurgia ricostruttiva nella cecità dovuta a danni bilaterali della superficie oculare. TERAPIA GENICA Definizione di protocolli sperimentali e clinici per la terapia genica di: - malattie genetiche della pelle (quali le diverse forme di epidermolisi bollosa e ittiosi lamellare) -malattie genetiche degli epiteli oculari (quali le diverse forme di distrofia corneale) mediante correzione ex-vivo di cellule staminali epiteliali.

57 Applicazioni Cliniche

58 Applicazioni Cliniche

59 Applicazioni Cliniche

60 Applicazioni Cliniche Holoclar è un prodotto di ingegneria dei tessuti per terapie avanzate consistente in un epitelio corneale umano autologo ricostruito ex-vivo contenente cellule staminali, indicato per la ricostruzione della superficie corneale in pazienti con mancanza di cellule staminali limbari dovuta ad ustioni oculari. Il principio attivo di Holoclar è rappresentato dalle cellule staminali epiteliali in esso contenute che, una volta attecchite, rigenerano in modo permanente l epitelio corneale ripristinandone la piena funzionalità e consentendo così il recupero della capacità visiva.

61 Applicazioni Cliniche

62 Epidermolisi Bullosa

63 Epidermolisi Bullosa Type Number of subtypes Inheritance of subtypes Key genes affected EBS ~ 12 subtypes dominant or recessive Keratins 5, 14, Plectin JEB ~ 6 subtypes recessive Collagen XVII, Integrin, Laminin DEB ~ 13 subtypes dominant or recessive Collagen VII

64 Epidermolisi Bullosa

65 To Take Home Applicazioni correnti: Adult Stem Cells Tantissime Potenzialità con la riprogrammazione nucleare Implementare la ricerca di base

66 To Take Home