CELLULE STAMINALI APPLICAZIONI TERAPEUTICHE
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- Franca Corsini
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1 CELLULE STAMINALI APPLICAZIONI TERAPEUTICHE Maurilio Sampaolesi LESSON 2 Corso ANATOMIA UMANA Specialistica ( )
2 PROGRAMMA Introduzione alle cellule staminali: cellule staminali embrionali ed adulte Ciclo cellulare e cellule staminali. Cellule staminali e cellule tumorali. Le cellule staminali ematopoietiche. Cellule staminali nella terapia cellulare. Cellule staminali e migrazione. Vettori virali nella trasduzione delle cellule staminali. I mesoangioblasti, un esempio di cellule staminali associate ai vasi
3 La pluripotenza delle cellule staminali S S S S P Unipotente D1 D1 D1 D1 P D1 D2 D3 D4 Pluripotente
4 Origine e potenziale differenziativo delle cellule staminali embrionali e adulte Tipo di Origine Differenziamento Differenziamento Cellula Ortodosso Non ortodosso Embrionale Blastocisti Tutti i tessuti Emopoietica Sacco vitellino/agm Sangue Muscolo scheletrico Fegato fetale Macrofagi Fegato ed Epiteli (?) Cordone ombelicale Microglia Neuroni & Glia Midollo osseo Osteoclasti Muscolo cardiaco Mesenchimale Periciti Osteoblasti Muscolo liscio (Midollo osseo) Condroblasti Astrociti Adipociti Muscolo cardiaco, scheletrico? Endoteliale Endotelio Endotelio Periciti, muscolo liscio Muscolo cardiaco Neurale Zona Neuroni Sangue subventriculare Astrociti Muscolo scheletrico Ependima (?) Oligodendrociti Molti tessuti: embrione (?) Epiteliale Epidermide, Cellule epiteliali???? (polarizati) Vie respiratorie differenziate digerenti, uro-genitali
5 CELLULE STAMINALI: che cosa è cambiato negli ultimi anni? 1. Le cellule staminali sono state isolate e coltivate da organi le cui cellule non si dividono normalmente 2. Le cellule staminali di un tessuto (es. Midollo osseo) possono dare origine a cellule differenziate di tessuti diversi da quello in cui risiedono (es, muscoli, cuore, cervello, etc.), ma di recente. Sangue Osso e Cartilagine Epiteli? Cervello?? Midollo osseo Fegato Muscoli X? Cuore Vasi
6 Le cellule staminali embrionali derivano dalla blastocisti Le cellule staminali adulte originano dopo la gastrulazione
7 Le cellule staminali embrionali possono essere cresciute indefinitamente in vitro e, a seconda delle condizioni di coltura, possono generare diversi tipi di cellule differenziate Soprattutto, neuroni, cardiociti, endotelio e cellule del sangue
8 Stem cells and Parkinsons disease
9 DNA switch coding region Gene Insulin gene X Rhodopsin gene X Protein Insulin protein X Rhodopsin protein X Cell Islet cell Retinal cell Organ Pancreas Eye Organism Diabetes Color blindness
10 Basics of cell biology:development
11 Basics of cell biology:development Genome code Body
12 Basics of cell biology:development Fertilized egg
13 Basics of cell biology:development Cells differentiate
14 Basics of cell biology:development Cells differentiation is due to different gene Switches going on and off
15 Basics of cell biology:development Cells differentiation is due to different gene Switches going on and off These cells are different because they express a subset of their 30,000 genes
16 Basics of cell biology:development Brain Heart Eye Pancreas
17 Basics of cell biology:development Stem cells Brain Heart Eye Pancreas
18 Basics of cell biology:development Pancreatic stem cells Brain Heart Eye Pancreas
19 What s a stem cell: A cell that can divide to make lots of other types of cells. It is the stem of a family tree of cells. Pancreatic stem cell All the different types of cell of a pancreas
20 Basics of cell biology:development Embryonic stem cell Brain Heart Eye Pancreas
21 Basics of cell biology:development Pluripotent Embryonic stem cell Multipotent Adult stem cells Brain Heart Eye Pancreas
22 Pluripotent - can make all cell types Multipotent - can make some cell types
23 Totipotent - can make whole organism Multipotent - can make an organ
24 What is a cell line? It is a cell that can keep dividing and not change in a petri dish
25 What is a cell line? It is a cell that can keep dividing and not change in a petri dish
26 What is a cell line? It is a cell that can keep dividing and not change in a petri dish
27 The hot thing to do right now: Embryonic stem cell Add drugs/factors Cells of pancreas
28 Basics of cell biology:development Regenerate new pancreas with stem cells Brain Heart Cell Pancreas X Pancreas
29 Basics of cell biology:development Brain Heart Cell Pancreas
30 Basics of cell biology:development Brain Heart Cell Pancreas Aging
31 Basics of cell biology:development Brain Heart Cell Pancreas Aging
32 Basics of cell biology:development Brain Heart Cell Pancreas Aging
33 Basics of cell biology:development Regenerate new pancreas with stem cells Brain Heart Cell Pancreas
34
35 Basics of cell biology:development Embryonic stem cells Adult stem cells Brain Heart Cell Pancreas
36 Fertilized egg
37 Fertilized egg
38 Fertilized egg
39 Fertilized egg At the 8 cell stage, each can make a whole person again
40 Fertilized egg Identical twins At the 8 cell stage, each can make a whole person again
41 Fertilized egg Blastocyst Inner Cell Mass
42 Fertilized egg Inner Cell Mass Embryonic stem cells
43 Basics of cell biology:development Embryonic stem cells Brain Heart Eye Pancreas
44 In theory, embryonic stem cells can make all parts of the body.
45 In theory, embryonic stem cells can make all parts of the body. Problems: how do you program them down the right paths?
46 Cells differentiation is due to different gene Switches going on and off These cells are different because they express a subset of their 30,000 genes
47 In theory, embryonic stem cells can make all parts of the body. Problems: how do you program them down the right paths? How do you stop them from dividing too much - from becoming cancer - teratocarcinoma
48 A tumor is due to uncontrolled cell division
49 The hope: ES cells will only replace those parts that need replacing Brain Heart Cell Pancreas X Pancreas
50 In theory, embryonic stem cells can make all parts of the body. Problems: how do you program them down the right paths? How do you stop them from dividing too much - from becoming cancer - teratocarcinoma Immune problem: your body will reject foreign stem cells - use your own? - Clone yourself
51 In theory, embryonic stem cells can make all parts of the body. Problems: how do you program them down the right paths? How do you stop them from dividing too much - from becoming cancer - teratocarcinoma Immune problem: your body will reject foreign stem cells - use your own? - Clone yourself Therapeutic cloning
52 Embryonic Germ Stem cell Germline: maintained as pluripotent Differentiated cells
53 Embryonic Germ Stem cell Extract primitive germline and make cell line
54 Embryonic Stem Cells
55 Nuclear transplant stem cells
56 Nuclear transplant stem cells
57 Nuclear transplant stem cells
58 Nuclear transplant stem cells Makes stem cells
59 Nuclear transplant stem cells Makes stem cells Solves immunity problem
60 Nuclear transplant stem cells Makes stem cells
61 Nuclear transplant stem cells Makes stem cells Makes a new you!
62 Makes stem cells Mutate Make a new you - without higher brain Anencephaly (1-5/1000 births)
63 Adult stem cells
64 Adult stem cells Miracle? It sometimes happens
65 Embryonic stem cells from embryo. Totipotent stem cells that make entire body Cells are non-self - possible rejection/immunity problems Ethical problems Embryonic Germline stem cells From embryonic germline. Same as ES cells but possibly easier to work with Nuclear Transplant Stem cells A fusion of and adult nucleus and an embryonic stem cell The embryonic cell re-programs the adult cell Can be grown into a whole organism - cloning Also called therapeutic cloning Solves immunity problems as the genotype is self Potential ethical problems Adult stem cells From adult -you make them from yourself Biology unknown Solves ethical and immunity problems
66 Embryonic stem cells From embryo. Totipotent stem cells that make entire body or body parts Cells are non-self - possible rejection/immunity problems Ethical problems Embryonic Germline stem cells From embryonic germline. Same as ES cells but possibly easier to work with Nuclear Transplant Stem cells A fusion of and adult nucleus and an embryonic stem cell The embryonic cell re-programs the adult cell Can be grown into a whole organism - cloning Also called therapeutic cloning Solves immunity problems as the genotype is self Potential ethical problems Adult stem cells From adult -you make them from yourself Biology unknown Solves ethical and immunity problems Sources??: fatty tissue
67 Using stem cells today cancer leukemia Brain Heart Cell Blood
68 Using stem cells today drug cancer X X leukemia Brain Heart Cell Blood X
69 Using stem cells today X Regenerate new blood with stem cells Brain Heart Cell Blood X Blood
70 Using stem cells today Blood stem cells are always kept in bone marrow X Regenerate new blood with stem cells Brain Heart Cell Blood X Blood
71 Stem cell research Up to late 1990 s: Basic research in background Late 1990 s: Federal Funded work banned; Private work (Geron) pushes field. July 2001: Virginia Company is first to make embryos solely as source of stem cells. August 2001: Bush allows some Stem cell work to be federally funded Sept 2002: Congress debating therapeutic cloning 2003 Clinical trials of stem cells
72 Parkinson s Disease turns on Movements neurotransmitter dopamine turns on Pleasure center
73 Parkinson s Disease turns on Movements neurotransmitter dopamine turns on Pleasure center Dopaminergic neurons die
74 Divisione cellulare: processo che dà origine a nuove cellule. Avviene durante lo sviluppo embrionale, nella formazione dell organismo adulto e nella vita adulta, dove circa 25 milioni di cellule al secondo sono soggette a divisione. La divisione cellulare si inserisce nel ciclo cellulare, che corrisponde al periodo di vita della cellula.
75 Il ciclo cellulare: interfase e mitosi
76 Il ciclo cellulare: interfase e mitosi Interfase: G1 (G=gap) S (duplicazione del DNA) G2 Nell interfase la cellula cresce in volume ed è attiva nelle sue funzioni metaboliche, come l ossidazione del glucosio, la trascrizione, la traduzione e la replicazione. Nell interfase avvengono gli eventi preparatori alla mitosi. La sintesi proteica è sempre attiva, ma per esempio in S vengono sintetizzati soprattutto gli istoni.
77 La durata del ciclo varia molto, soprattutto nella lunghezza della fase G1. In una cellula adulta può durare da 12 a 36 ore, la differenza dipende dalla fase G1. La fase G1 può durare ore, giorni, settimane o più a lungo a seconda del tipo cellulare. Quando la fase G1 si protrae a lungo, si parla di Go, cioè una fase stazionaria di attesa. L ingresso da Go a G1 ed il passaggio da G1 a S richiede l intervento di messaggi ambientali, chiamati mitogeni o fattori di crescita.
78 Diversità nel ciclo cellulare tra cellule dell organismo adulto e cellule embrionali QuickTime and a decompressor are needed to see this picture. QuickTime and a decompressor are needed to see this picture. cellule embrionali cellule adulte
79 I meccanismi di controllo del ciclo cellulare: da Go a G1: fattori di crescita Transizione G1 - S: start point, preparazione delle molecole necessarie per la duplicazione del DNA Transizione G2 M: controllo quantitativo e qualitativo dell avvenuta duplicazione del DNA, preparazione del fuso mitotico. L uscita da M e l avvio della citochinesi
80 CELLULE NEOPLASTICHE CARCINOMA MAMMELLA (in vitro) QuickTime and a decompressor are needed to see this picture.
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83 Ingresso nel ciclo: l aggiunta di fattori di crescita attiva il passaggio tra la fase G0 e G1
84 Ingresso nel ciclo e transizione G1-S: il fattore di crescita attiva la via di trasduzione del segnale (Ras/MAPK) che porta alla trascrizione genica. Vengono prodotti fattori trascrizionali (risposta precoce), che a loro volta regolano in cascata la trascrizione di altre molecole (risposta tardiva) che permettono la transizione da
85 PDGF-R Myc, Fos, Jun Proliferazione E2F ciclina
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87 Le cicline e le chinasi ciclina dipendenti (CdK) Le cicline sono prodotte nella risposta secondaria e la loro presenza attiva le chinasiciclina dipendenti
88 Le cicline sono state identificate sia in cellule di lievito che in cellule di mammifero. La loro concentrazione aumenta sino ad un livello massimo e poi segue una rapida degradazione. L attività delle CdK è regolata dalla concentrazione delle cicline. Esistono vari tipi di cicline e vari tipi di Cdk.
89 Le varie cicline nelle cellule di mammifero Ciclina A/Cdk2 Ciclina B/Cdk1 Ciclina E/Cdk2 Ciclina D/Cdk2 ciclinad/cdk4
90 Le Cdk attivate dalle cicline sono delle proteine serina-treonina chinasi. Fosforilano substrati coinvolti nelle varie fasi del ciclo, ad esempio nel passaggio tra G1 ed S, fosforilano gli istoni e permettono la compattazione dei cromosomi. Oppure fosforilano la lamina nucleare, disassemblandola e rompendo l involucro nucleare. Altre proteine fosforilate sono quelle del citoscheletro, che servono al macchinario della divisione.
91 QuickTime and a MPEG-4 Video decompressor are needed to see this picture. CdK
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93 Il ciclo cellulare è controllato da segnali positivi, cioè attivazione di geni, produzione di cicline, ecc Ma esistono anche dei controlli negativi della progressione nel ciclo, che devono essere rimossi. Un esempio è la proteina del retinoblastoma (Rb), che in Go è associato al fattore trascrizionale E2F, inattivandolo. Nella transizione G1-S, le Cdk fosforilano Rb, che di conseguenza si stacca da E2F attivandolo e permettendogli di funzionare come fattore trascrizionale.
CELL L U L LE L S TA T MIN I ALI
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