omeostasi cellulare nei tessuti somatici e cellule staminali - appunti

Omeostasi

La “cellula staminale” è una cellula indifferenziata, a prescindere dal fatto che si trovi in un feto o in un organismo adulto. Questo concetto, tuttavia, esprime un significato più ampio: una cellula staminale, infatti, si distingue da una cellula differenziata perché non esprime, in linea teorica, nessun marcatore di differenziamento, ossia proteine associate ad un determinato fenotipo cellulare (ex. β-tubulina3 espressa dai neuroni).

Le cellule staminali sono, inoltre, morfologicamente amorfe, tendenzialmente rotonde e non assumono conformazioni particolari.

Hanno rapporto nucleo/citoplasma elevato, nel senso che presentano un nucleo più grosso del citoplasma. È per questo motivo che la cellula staminale tende più a dividersi che non a differenziare (elevata potenzialità proliferativa).

La “funzione fisiologica” delle cellule staminali è da distinguere in due fasi:

• Fase embrio-fetale, nella quale si passa da uno stadio embrionale, molto precoce, ad uno stadio fetale, molto più prossimale all’adulto post-natale. Durante questo passaggio di sviluppo si ha una prima compartimentazione delle cellule staminali, grazie alla formazione dei tre foglietti (ectoderma, mesoderma, endoderma), in nicchie già assegnate a loro o in nicchie “migranti”, ossia che cambiano attraverso le fasi di sviluppo dell’organismo. In questa fase le cellule staminali generano quindi un organismo e tutte le cellule che compongono i tessuti di quell’organismo.
• Fase organismo adulto. In questa fase le cellule staminali mantengono l’omeostasi tissutale e del compartimento staminale. Ossia, mantengono loro stesse, il loro compartimento (nicchia, che nella fase adulta è ben formata), ma anche l’omeostasi del tessuto di appartenenza.

Ad esempio, in caso di danno o patologia cronica le cellule staminali vengono stimolate a proliferare e generare più cellule del normale, poiché si rischia il depauperamento del pool staminale a causa del danno. Per far ciò le staminali potenziano la loro capacità di originare più cellule attraverso la divisione cellulare, oppure potenziano gli stadi più avanzati. In questo modo viene favorita la rigenerazione dopo lesione e l’omeostasi tissutale. La velocità di ricambio cellulare varia comunque a seconda della richiesta.

Le cellule staminali sono dotate di elevata potenzialità proliferativa, nel senso che possono proliferare, ed elevata potenzialità differenziativa, nel senso che possono differenziare.

Le staminali sono quindi in grado di fare tutto questo ma non per forza lo fanno, infatti nell’adulto tendono ad essere quiescenti, soprattutto in certi tessuti.

Lo stato di quiescenza è paragonabile ad uno stadio di silenziamento e le cellule staminali lo utilizzano per diversi motivi, ad ex. per evitare il rischio di generare tumori. Infatti, se fossero sempre attive a proliferare la probabilità di generare mutazioni nella cellula, e diventare tumorale, aumenterebbe vertiginosamente. La quiescenza viene quindi usata come una sorta di sistema di autodifesa.

Grazie a queste capacità (potenzialità proliferativa e differenziativa) le cellule staminali sono in grado di:

• Automantenimento o self-maintenance: riprodurre se stesse per tutta la vita dell’organismo.
• Mantenimento omeostasi tissutale: allo stesso tempo, originare tutte le cellule mature che si trovano nei tessuti adulti per tutta la vita dell’organismo.

La potenzialità proliferativa, abbinata al self-maintenance, va mantenuta quindi per tutta la durata di vita dell’organismo; infatti, anche nell’individuo anziano le cellule staminali funzionano ancora nonostante i problemi di senescenza, numero ridotto di cellule, minore proliferazione etc.

Il mantenimento dell’omeostasi riguarda soprattutto l’individuo adulto.

Queste capacità vengono testate nei saggi funzionali.

Non sarà mai facile trovare una cellula staminale nel pieno di un solo tipo di potenzialità, perché è una cellula in grado di fare mantenimento di se stessa e del tessuto, dosando proliferazione e differenziamento, grazie al fatto di trovarsi in un contesto biochimico specifico descritto da un ambiente fisiologico che lo permette, detto “nicchia staminale”.

L’attuazione delle diverse proprietà funzionali delle cellule staminali è flessibile ed è, appunto, dipendente dal contesto ambientale, nicchia, in cui si trovano.

La nicchia è un comparto altamente specializzato e ne esistono diversi tipi: esistono nicchie molto piccole e molto compartimentalizzate (ex. quella del cervello). Ci sono nicchie ancora da identificare (ex. non si sa dove risiede la nicchia staminale pancreatica) ed altre ben caratterizzate (ex. cripte intestinali).

Quando si vogliono studiare le cellule staminali si “tirano fuori” dalla nicchia, tuttavia è necessario conoscere i segnali che regolano la staminalità per effettuare questo passaggio.

Tipologie cellule staminali

Nella genesi dell’intero organismo la cellula staminale capostipite in assoluto è lo “zigote”, unica cellula veramente totipotente. È la staminale con più potenzialità ed infatti, da questa singola cellula, si origina un intero organismo e tutti i tessuti extraembrionali (ex. sacco vitellino).

Lo zigote si forma subito dopo la fecondazione, è una cellula aploide (presenza di una sola copia di ciascun cromosoma) ed esprime tutto il suo potenziale differenziativo sopravvivendo pochissimo e forse già alla prima divisione perde parte della potenzialità, quindi la cellula staminale totipotente zigotica sembra non essere capace di automantenersi.

Nelle fasi di embriogenesi successive allo zigote si passa ad uno stadio di divisioni a due cellule, poi a 4, poi a 8, poi a 16. La totipotenzialità viene mantenuta quindi per poche divisioni e sicuramente fino alla polarizzazione della “inner cell mass”, “ICM”. Infatti, con la formazione della “blastocisti”, il 5°/6° giorno, si passa alla seconda categoria di cellule staminali, ossia le “cellule staminali embrionali”, “ES”, considerate anche cellule della “ICM”. Le cellule staminali embrionali sono pluripotenti, ossia, sono in grado di ricreare tutti i tessuti dell’organismo, ma non quelli extraembrionali.

Successivamente si passa dallo stadio embrionale a quello fetale. Il feto è uno stadio già più avanzato e molto più prossimale all’adulto, rispetto all’embrione. Nel feto si apprezzano già i compartimenti organogenici definiti, i tessuti già nella loro approssimativa organizzazione finale (vale per buona parte dei tessuti) e quindi avremo già una prima compartimentazione delle cellule staminali, in ciò che sarà la loro nicchia definitiva. A questo punto c’è un’ulteriore diminuzione del livello di potenzialità ed infatti si parla già di cellule multipotenti, caratteristica delle “cellule staminali somatiche”, adulte che descrive la capacità di generare tutte le cellule del tessuto a cui appartengono.

Le cellule staminali somatiche sono cellule tessuto-specifiche, cioè che appartengono ad un certo tessuto. Possono essere fetali o adulte ed in entrambi i casi si occupano di mantenere l’integrità del tessuto di appartenenza. Le cellule staminali somatiche ed adulte possono non essere la stessa cosa, ma, anche se lo fossero, nel contesto fetale vengono mantenute in uno stato proliferativo un pochino più spinto, mentre, nell’adulto la proliferazione è leggermente più rallentata, sono più quiescenti.

Ciò che si vuole effettivamente dire è che la nicchia staminale fetale e la nicchia staminale adulta possono anche contenere le stesse cellule, ma queste rispondono a stimoli diversi e quindi è difficile dire se veramente sono le stesse cellule o se sono cellule diverse che cambiano comportamento a seconda del contesto fisiologico in cui si trovano.

Come abbiamo detto, le cellule staminali somatiche sono tessuto-specifiche e nei tessuti si trovano in contesti ben definiti, cioè sono contenute in “nicchie”. La presenza di nicchie è stata identificata in “tessuti rinnovabili”, come la pelle (più precisamente nello strato basale), l’intestino (più precisamente nella parte più profonda, dette cripte intestinali) e nel midollo osseo (qui le cellule staminali si trovano sparse, anche se si sono notate due o tre zone di addensamento cellulare, simili a nicchie staminali ematopoietiche, vicine allo stroma).

La caratteristica comune per queste nicchie è che si trovano tutte molto in profondità nel tessuto di appartenenza, molto probabilmente per una ragione di protezione del compartimento staminale.

La nicchia staminale non è sempre descrivibile come un comparto strutturato, ma può essere identificata come una sorta di microarea di concentrazione di elementi biochimici che favoriscono l’addensamento di cellule staminali ed il loro mantenimento.

Nonostante ciò è stato accettato dalla comunità scientifica con molta difficoltà, è vero anche che in “tessuti perenni”, a rinnovo molto lento, sono state identificate cellule staminali contenute in nicchie. Un esempio è dato dal sistema nervoso: esistono due nicchie staminali cerebrali; una nell’ippocampo, regione adibita alle funzioni cognitive (ex. memoria), l’altra appena sotto ai ventricoli laterali, ossia quelle due cavità che contengono il liquido cerebrospinale e che funzionano da ammortizzatori.

Queste due nicchie sono dette:

• Zona sottogranulare (SGZ), dell’ippocampo.
• Zona sottoventricolare (SVZ), 2°-3° ventricolo encefalo.

Infine dobbiamo tener bene presente il fatto che man mano che l’organismo si sviluppa c’è una diminuzione del livello di potenzialità: si passa da totipotenzialità, a pluripotenzialità, a multipotenzialità ed infine ad oligopotenzialità/unipotenzialità. Ma, anche, che in tutti questi passaggi di sviluppo le cellule mantengono la capacità di automantenimento, definita dal “self-maintenance” (mantenimento di se stessa e delle proprietà) e dal “self-renewal” (capacità di rigenerare se stessa).

Caratteristiche funzionali

Parliamo ora delle due principali capacità/caratteristiche funzionali che descrivono le staminali e che agiscono sotto il nome di “potenzialità proliferativa” e “potenzialità differenziativa”.

Tutte le proprietà delle cellule devono rimanere stabili nel tempo per definirle cellule staminali.

1. Potenzialità proliferativa

La potenzialità proliferativa della cellula staminale è molto più elevata rispetto che in tutte le altre cellule. Questa potenzialità deve rimanere stabile nel tempo, per tutta la durata di vita dell’organismo ed è rapportata alla velocità, visto che in caso di necessità si ha bisogno di aumentare la velocità di proliferazione.

In generale, le cellule staminali, nei rispettivi tessuti sono quiescenti, ossia non si dividono quasi mai o comunque pochissimo; infatti, quando si cerca una staminale in un tessuto, si cerca una cellula che prolifera pochissimo in un determinato lasso di tempo. Spendono quindi molto tempo nello stadio G₀ del ciclo cellulare.

Questa quiescenza è anche da considerare come un fattore di protezione, soprattutto nell’organismo adulto, poiché ogni divisione porta sempre con sé un grosso rischio di mutazione, quindi è meglio che si dividano il meno possibile e sempre secondo le necessità del tessuto.

Per proliferare le cellule staminali escono quindi dal loro stato di quiescenza ed attivandosi rientrano nel ciclo cellulare, se stimolate a farlo grazie a segnali. Questo stato di attivazione può durare molto a lungo (ad ex. a seconda del danno subito) e durante questi periodi compiono moltissimi cicli di divisione, entrando in senescenza molto dopo rispetto ad altri tipi cellulari in grado di proliferare.

I cicli di divisione sono scanditi da due tipi di divisione:

• Simmetrica – produzione di due cellule figlie uguali.
• Asimmetrica – produzione di due cellule figlie non identiche (una staminale ed una diversa, magari già con qualche marcatore di differenziamento espresso).

2. Potenzialità differenziativa

Anche questa potenzialità deve essere mantenuta stabile nel tempo, per tutta la durata della vita dell’organismo.

Descrive il numero ed il tipo di cellule differenziate e mature che possono essere generate a partire da una certa cellula.

Una cellula differenziata è una cellula che ha iniziato l’espressione di una determinata batteria genica e che di lì a poco inizierà a possedere un certo corredo proteico, ma anche una certa morfologia, che la porteranno ad essere terminalmente differenziata.

Una cellula staminale è una cellula indifferenziata, a prescindere che si trovi nel feto o nell’organismo adulto, con elevata potenzialità differenziativa. È quindi in grado di differenziare. A partire dalle sue divisioni si possono generare diversi tipi di cellule differenziate.

La potenzialità differenziativa delle cellule staminali è variabile e si divide in:

• Totipotente.
• Pluripotente.
• Multipotente.
• Unipotente.

Come abbiamo già detto, lo zigote è totipotente perché origina cellule embrionali ed extraembrionali; la cellula staminale embrionale è pluripotente perché origina solo cellule embrionali; le cellule staminali somatiche sono multipotenti perché danno origine solo a cellule differenziate proprie del tessuto in cui risiedono.

Inoltre, la potenzialità differenziativa e la potenzialità proliferativa diminuiscono man mano che l’organismo si sviluppa e passa da totipotente a unipotente. Allo stadio iniziale di zigote il livello proliferativo richiesto è molto elevato, idem per la velocità di proliferazione visto che si deve organizzare tutto un organismo intero. Elevata è anche la potenzialità differenziativa nello zigote.

Grazie a queste due potenzialità (proliferativa e differenziativa) le cellule staminali sono in grado di fare automantenimento e garantire il mantenimento dell’omeostasi ed integrità tissutale negli organismi pluricellulari, per tutta la vita dell’organismo. Queste potenzialità descrivono quindi la staminalità.

Precisiamo che l’automantenimento è costituito da:

• Self-maintenance – stabilità delle stesse cellule staminali e delle loro proprietà nel tempo.
• Self-renewal – fa parte del self-maintenance ed è la capacità proliferativa della staminale finalizzata al mantenimento del pool di se stessa (anche se differenzia non depaupera il pool di origine, ma si autorinnova e nel contempo fa differenziamento).

Ricordiamo comunque che la definizione di cellula staminale è necessariamente legata al tipo di organismo ed al contesto in cui la cellula si trova. Tasso di differenziazione e tasso di proliferazione dipendono dalla necessità del tessuto in cui si trovano e questo descrive la flessibilità nell’attuazione delle diverse proprietà funzionali delle cellule staminali.

La nicchia aiuta infatti a preservare le due potenzialità delle staminali ed è formata anche da cellule non staminali che condizionano le staminali e le loro funzioni.

Omeostasi tissutale e ruolo fisiologico delle cellule staminali somatiche adulte

Funzionalmente quindi le proprietà funzionali rendono possibile:

Automantenimento – a. self-maintenance; è la capacità di mantenimento del compartimento staminale e delle loro proprietà stabili nel tempo. Ne fa parte anche il self-renewal, ossia l’autorinnovamento, che rappresenta la capacità proliferativa della staminale finalizzata al mantenimento del pool di se stessa stabile nel tempo (anche se differenzia non depaupera il pool di origine, ma si autorinnova e nel contempo fa differenziamento).

Omeostasi tissutale – b. è la capacità delle staminali di mantenere il tessuto di cui fanno parte; quindi di differenziare in fenotipi che compongono quel determinato tessuto. Più precisamente devono generare tutte le genealogie cellulari proprie di quel tessuto e dei vari compartimenti cellulari, a seconda della complessità del tessuto. Esistono quindi dei modelli di gerarchie cellulari per l’omeostasi tissutale, i quali possono essere più o meno complessi (più sale il numero di fenotipi cellulari presenti nel tessuto e più queste gerarchie sono complesse).

Un esempio di gerarchia cellulare è quella del sistema emopoietico (detto anche sistema ematopoietico).

Il sistema emopoietico è il sistema per la generazione del sangue. È un tessuto molto attivo e continuo, con ricambio anche abbastanza veloce.

A monte di tutti i fenotipi cellulari del sistema emopoietico che si originano c’è la cellula staminale, che risiede nella nicchia staminale. Poi si ha una serie di passaggi molto complessi caratterizzati dalla formazione di progenitori più o meno immaturi ed infine si giunge alla formazione di una serie di cellule differenziate. Tra i fenotipi che si originano distinguiamo:

• Cellule NK.
• Cellule T (linfociti T).
• Cellule B (linfociti B).
• Cellule dendritiche.
• Monociti.
• Neutrofili.
• Eosinofili.
• Basofili.
• Eritrociti.

La complessità dei fenotipi da originare riflette la complessità della nicchia staminale. Per quanto riguarda i