Cellule staminali, tesina

Che cosa sono le cellule staminali,

caratteristiche e proprietà

CELLULA STAMINALE E CELLULA

DIFFERENZIATA

Una cellula staminale è una cellula primitiva e indifferenziata che

tramite un processo, detto di differenziamento cellulare

(“passaggio di una cellula da una condizione di organizzazione più o

meno generale e omogenea ad una più speciale ed eterogenea”- E.G.

Conklin), è in grado di dare origine ad una cellula più matura e

differenziata, con funzioni più specifiche rispetto alla madre.

Le cellule generate tramite differenziamento, se ancora staminali,

possono a loro volta differenziarsi in cellule più mature e così via, fino

alla cessazione dell’attività proliferativa e alla costituzione di cellule

altamente specializzate (presenti esclusivamente in un organismo

adulto).

Le cellule differenziate riescono ad “esprimere”(se ancora poco

mature) o sintetizzare particolari proteine strutturali, in base al

tessuto di appartenenza: ad esempio infatti, due cellule che hanno

avuto origine da una stessa cellula staminale (e quindi contengono

geni strutturali pressoché identici) possono compiere, nella fase di

splicing

trascrizione della sintesi proteica, un differente in base al

tessuto di cui faranno parte e perciò da uno stesso mRNA non maturo

si ricavano così due mRNA maturi diversi uno dall’altro e quindi due

differenti proteine strutturali al termine della sintesi proteica.

Negli esseri umani, i principali tessuti in cui le cellule staminali si

differenziano sono il tessuto epiteliale, connettivo, muscolare e

nervoso. 5

PROPRIETÀ “NECESSARIE E SUFFICIENTI” DI

UNA CELLULA STAMINALE

Per essere definita “staminale” una cellula deve necessariamente

godere delle seguenti tre proprietà:

Proprietà di AUTO-RINNOVAMENTO, che consiste nella capacità di

 una cellula di compiere più o meno facilmente un numero illimitato

di replicazioni, mantenendo lo stesso stadio differenziativo.

L’auto-rinnovamento e il differenziamento cellulare avvengono

contemporaneamente e in due modi possibili:

a) Mediante divisione (o mitosi) asimmetrica obbligata,

processo che coinvolge la singola cellula staminale, la quale

dà origine a due cellule figlie: l’una perfettamente identica

alla cellula madre, l’altra più matura e in grado di

differenziarsi. Questa mitosi viene definita “asimmetrica”

perché, rispetto alla classica divisione mitotica, le cellule

figlie non sono entrambe identiche alla cellula madre (figura

1).

b) Mediante differenziamento stocastico (o divisione

simmetrica), processo che coinvolge un’intera popolazione

di cellule staminali, la quale si divide in due gruppi

contenenti circa lo stesso numero di cellule (circa metà in un

gruppo e l’altra metà nell’altro). Le staminali di un gruppo

compiono ognuna un meccanismo simmetrico

proliferativo, che consiste in una classica mitosi: da una

cellula staminale si ottengono due cellule figlie staminali

perfettamente identiche alla madre. Tale meccanismo

consente a una popolazione di cellule staminali che svolge

divisione simmetrica di conservarsi: infatti, dopo ogni

divisione il loro numero rimane pressoché costante. Al

contrario, le staminali dell’altro gruppo compiono ognuna un

meccanismo simmetrico differenziativo, secondo cui da

una cellula madre hanno origine due cellule figlie più mature

e in grado di differenziarsi (figura 2). 6

Figura 1: Figura 2:

divisione asimmetrica divisione simmetrica

obbligata

Proprietà di POTENZA DIFFERENZIATIVA, che consiste nella

 capacità di una cellula di dare origine ad una o più linee (o tipi)

cellulari, tramite differenziamento.

La potenza è proporzionale al numero di tipi cellulari in cui una

cellula staminale può differenziarsi: più grande è la quantità di

tipologie differenziative, maggiore è la potenza della cellula.

Proprietà di PLASTICITÀ, che consiste nella capacità di una cellula

 di modificare le proprie espressioni delle funzioni di proliferazione

(funzioni che descrivono l’andamento proliferativo, cioè la qualità e

la quantità di cellule differenziate generate da una cellula

staminale) in caso di necessità (ad esempio, in caso di richiesta da

parte del tessuto di residenza della staminale a seguito di

un’ablazione - rimozione - tissutale).

Classificazioni

delle cellule

staminali

Dato l’elevato numero di tipologie staminali che concorrono nella

creazione, nello sviluppo e nel mantenimento dell’individuo adulto,

non esiste un’unica classificazione sempre opportuna ed efficace per

ogni grado di studio e di ricerca. In ogni caso, le principali 7

classificazioni che inglobano al loro interno tutte le cellule staminali

sono due: la prima, in base alla potenza differenziativa; la

seconda, in base all’origine.

PRIMA CLASSIFICAZIONE

Le cellule staminali possono essere suddivise in cinque categorie

principali, in base al loro grado di potenza differenziativa, di seguito

elencate in ordine decrescente.

Cellule TOTIPOTENTI: sono le cellule staminali più immature e non

 differenziate e presentano il maggior grado di potenza

differenziativa. Esse riescono a generare cellule in grado di

differenziarsi in tutte le cellule di un organismo adulto, sia in quelle

dei tessuti embrionali sia in quelle degli extraembrionali. Questa

particolare caratteristica permette alle cellule staminali totipotenti

di dare origine ad un organismo intero.

Negli animali, le cellule totipotenti sono gli zigoti, cellule diploidi

ognuna prodotta durante la fecondazione, ovvero la fusione di due

cellule aploidi specializzate (gamete maschile e gamete

femminile).

Lo zigote fecondato inizia immediatamente a compiere divisioni

mitotiche, le quali portano alla formazione di cellule sempre più in

grado di differenziarsi: perciò, la caratteristica della totipotenza

viene persa dalla cellula circa tre giorni dopo la fecondazione,

quando l’individuo diploide in sviluppo risulta essere costituito da

sedici cellule, che si dispongono a formare una struttura simile ad

una “mora”, da qui il nome di morula (figure 3 e 4).

Cellule PLURIPOTENTI: sono le cellule staminali presenti

 nell’individuo in formazione a partire dallo stadio di morula fino a

circa l’ottavo giorno dopo la fecondazione. Le cellule della morula,

a differenza di quelle totipotenti, iniziano a differenziarsi tramite la

fase di blastocistogenesi, che inizia dalla formazione della 8

morula (terzo giorno dopo la fecondazione) e termina circa il

quattordicesimo giorno dopo la fecondazione. La blastocistogenesi

consiste nel processo di formazione della blastocisti, ovvero lo

stadio in cui un individuo diploide in sviluppo è costituito da

sessantaquattro cellule. Durante la blastocistogenesi, le cellule una

volta totipotenti, si specializzano in due differenti funzioni: alcune

si occupano di dare origine alla massa cellulare esterna della

blastocisti, il trofoblasto (tessuto che concorre alla successiva

formazione della placenta e degli altri tessuti extraembrionali); le

altre si occupano della costituzione della massa cellulare interna

della blastocisti, l’embrioblasto (figure 3 e 4).

Tramite questo primo differenziamento le cellule diventano

pluripotenti e si distinguono dalle totipotenti poiché le cellule del

trofoblasto non hanno la capacità di originare quelle

dell’embrioblasto e viceversa.

Le cellule pluripotenti dell’embrioblasto vengono definite CELLULE

STAMINALI EMBRIONALI (ES, Embryonic Stem Cells) e sono

oggetto della maggior parte delle nuove ricerche sulle staminali.

Tali cellule, sebbene non riescano a costituire i tessuti

extraembrionali (generati dalle cellule del trofoblasto) e quindi un

intero individuo, restano comunque di fondamentale importanza:

infatti, le ES possono dare origine ad ogni cellula di ciascuno dei 3

stati germinativi (o foglietti embrionali) in cui si divide

l’embrione. Essi sono: l’endoderma (che costituisce i tessuti di

gran parte degli organi interni – ad esempio il rivestimento interno

dello stomaco, l’intestino, il fegato e i polmoni), il mesoderma

(che costituisce ad esempio i muscoli, le ossa, il sangue e

l’apparato urogenitale) e l’ectoderma (che costituisce il sistema

nervoso e il tessuto epidermico).

Cellule MULTIPOTENTI: sono le cellule staminali che vengono

 generate dal differenziamento delle cellule pluripotenti

dell’embrioblasto.

Tali cellule compaiono per la prima volta in un organismo a partire

dall’ottavo giorno dalla fecondazione (impianto dell’embrione 9

nell’utero) e rimangono presenti nell’individuo, sebbene in esigue

quantità, anche dopo la nascita (figure 3 e 4).

Esse, poiché più differenziate (e quindi più mature), possiedono

una minore potenza differenziativa rispetto a quelle pluripotenti:

infatti sono in grado di dare origine a cellule diverse, ma tutte di

uno stesso tessuto (o strato germinativo) e perciò, non più

all’intera struttura embrionale.

Cellule OLIGOPOTENTI: sono le cellule staminali generate dal

 differenziamento delle multipotenti.

Esse compaiono per la prima volta nella fase successiva a quella

embrionale: quella fetale. Il feto è il nome dell’organismo

pluricellulare in sviluppo a partire circa dal secondo mese dopo il

concepimento (8va- 9na settimana), fino al momento della nascita.

Le cellule oligopotenti, dotate di una minor potenza rispetto alle

multipotenti, sono in grado di generare solo particolari e

specifiche cellule di uno stesso tessuto (o strato germinativo).

Cellule UNIPOTENTI: sono le cellule staminali presenti in maggior

 quantità in un organismo adulto.

Originate dal differenziamento di quelle oligopotenti, compaiono

anch’esse per la prima volta durante lo sviluppo fetale.

Le cellule unipotenti, dotate della minor potenza differenziativa,

generano una sola tipologia di cellula di un tessuto.

Figura 3: totipotenti

Primi stadi dell’embriogenesi: da cellule staminali a

multipotenti 10

Figura 4: totipotenti

Primi stadi dell’embriogenesi: da cellule staminali a

multipotenti

SECONDA CLASSIFICAZIONE

La seconda classificazione, decisamente più semplice rispetto alla

prima, prevede una distinzione delle cellule staminali in due gruppi in

base al momento in cui vengono originate: durante stadi di sviluppo

embrionale molto precoci (CELLULE STAMINALI EMBRIONALI) o in fasi

successive(CELLULE STAMINALI SOMATICHE).

Le cellule staminali EMBRIONALI (ES), come detto in

 precedenza, sono le cellule pluripotenti dell’embrioblasto.

La principale caratteristica che le distingue da quelle somatiche

è la durata limitata: le ES, infatti, si trovano esclusivamente in

fase di blastocistogenesi e si estinguono completamente con il

progredire dello sviluppo embrionale.

Proprio per questo motivo, l’unico modo in cui i ricercatori

possono lavorare su tali cellule consiste nel prelevarle ed

isolarle direttamente da un embrione in fase di blastocisti.

Questo procedimento, riuscito con cellule umane per la prima

volta, come già detto, nel 1998, porta necessariamente alla

morte dell’embrione (poiché privato di gran parte delle

cellule) e a conseguenti problematiche di tipo etico.

Le cellule staminali SOMATICHE (dal greco “soma, somatos”>

 “soma”, “corpo”) o ADULTE hanno origine in tarda fase

embrionale, in fase fetale e in fase adulta. 11

Tali cellule, al contrario di quelle embrionali, si trovano nel corpo

di un individuo anche dopo la nascita e sono date dall’insieme

delle cellule multipotenti, oligopotenti e unipotenti.

Una loro comune caratteristica, quella di essere tessuto-

omeostasi

specifiche, le rende subito disponibili per funzioni di

biologica riparazione tissutale.

(stabilità interna all’organismo) e

La ricerca sulle cellule staminali somatiche non causa alcun

problema di ordine etico, ma offre minori prospettive di

successo rispetto alla ricerca sulle embrionali poiché le cellule

staminali somatiche sono molto più difficili da estrarre, isolare e

coltivare in vitro aumentandone il numero.

Esempi di cellule staminali somatiche

CELLULE STAMINALI EMATOPOIETICHE (HSC,

Hematopoietic Stem Cells)

Le cellule staminali ematopoietiche sono multipotenti e durante lo

sviluppo dell’individuo si concentrano gradualmente nel midollo