Appunti di Biologia Cellulare (Donati+Bernacchioni)

CELLULE STAMINALI

Cambiamo argomento, anche se il concetto divisione cellulare, differenziamento torneranno.

Dunque dopo aver visto la regolazione del ciclo cellulare un altro argomento su cui sono riposte tante speranze, le

cellule staminali. Dallo studio di queste cellule affascinanti un giorno si spera di riuscirle ad utilizzare per la terapia

cellulare per poter curare malattie ad oggi incurabili. Il primo ad aver introdotto il termine cellula staminale, cellula

capostipite inteso come una cellula genitore di una discendenza cellulare, fu un medico russo ai primi del

Novecento di nome Alexander Maximov. Ad oggi non esiste una definizione onnicomprensiva di cellula staminale,

soprattutto perché mancano dei marker fenotipici, immunologici che ci possano permettere di dire, se questa

cellula ha questi marker, è una cellula staminale. Anche se ci sono parecchi marker identificati, non ci permettono di

distinguere in modo puntuale le due cellule figlie della staminale che come vedremo prenderanno percorsi diversi.

Sicuramente una cellula staminale in inglese “stemmzell” è una cellula che si divide, quindi il concetto di divisione

cellulare, ciclo cellulare, proliferazione ritornano in questo argomento. La cellula staminale è una cellula che se pur

raramente quindi non pensiate che queste cellule staminali si dividono frequentemente. Vedremo che il

meccanismo anche per preservare la mutazione, prevede che sia la cellula che da esse deriva, quella che vedremo

si parla di amplificazione in transito, che deve dividersi tante volte. Quindi la cellula staminale è una cellula che si

divide, anche se raramente, e lo sa fare per un tempo illimitato, indefinito.

Quindi una cellula staminale è proprio caratterizzata da questa proprietà che si chiama autorinnovamento quindi la

caratteristica, la potenzialità, la possibilità che hanno queste cellule di automantenersi prende il monte si self-

renewal. Quindi la cellula staminale è una cellula che si divide per un tempo indefinito, almeno per tutta la vita di

un organismo. Poi vedremo che sono in grado di farlo anche per periodi più lunghi della vita dell’organismo di cui

fanno parte. Cellula staminale si divide per un tempo indefinito e dà origine a due cellule: una che è identica alla

cellula madre staminale che l’ha generata, quindi una cellula figlia identica per cui è anch’essa staminale essendo

identica rimane staminale. Questa cellula figlia staminale garantisce il mantenimento del serbatoio di cellule

staminali, ecco il self-renewal autorinnovamento delle staminali; mentre l’altra cellula è diversa non è staminale, la

possiamo chiamare progenitore questa è la cellula che si dividerà tante volte, ma a differenza della staminale lo farà

per un numero finito di volte. Che cosa intendo dire? Intendo dire che non è più staminale quindi non è più

staminale perché non è più in grado di dividersi per un numero illimitato rivolte, lo farà rapidamente molto più

rapidamente della staminale portando ad un aumento consistente di cellule, la cui progenie andrà incontro a un

differenziamento.

Cosa vuol dire? Vuol dire che grazie ad un processo preciso di espressione genica differenziale a livello trascrizione

verrano accesi dei geni e spenti altri. Verranno accesi quei geni che codificano per quei prodotti che serviranno a

quella cellula per assumere un fenotipo maturo differenziato specializzato per svolgere una precisa funzione.

Quindi una cellula è staminale se si divide illimitatamente, ma in grado di generare due figlie, una che rimane

staminale quindi rende conto di questo self-renewal autorinnovamento, mantenimento del pool del serbatoio di

cellule staminali nell’individuo; mentre l’altra è diversa è quella che non è più staminale può dividersi ma non

illimitatamente e la sua progenie va incontro ad un differenziamento cellulare quindi da quella cellula

differenzieranno tipi cellulari maturi terminalmente differenziati specializzati per svolgere una particolare funzione.

Quindi queste cellule differenziate hanno delle caratteristiche morfologiche e fenotipiche ben precise: eritrociti,

linfociti, neuroni. Queste cellule mature che svolgono una precisa funzione hanno delle caratteristiche

morfologiche, fenotipiche e strutturali ben precise che rendono conto di un programma ben preciso di espressione

genica differenziale. Su questo concetto ritorneremo perché molto importante, cioè queste cellule derivano dalla

divisione della cellula madre quindi se andassimo a vedere, nella slide sono riportati gli eritrociti che espellono il

nucleo, quindi il loro genoma a differenziamento ultimato; il genoma delle cellule figlie è identico, ma

fenotipicamente sono molto diverse. Quindi è chiaro che durante il differenziamento pur non essendoci alcuna

perdita di geni (oggi è possibile far ritornare staminale una cellula differenziata, poi ne parleremo) quindi è possibile

riprogrammare una cellula somatica rendendola una cellula staminale pluripotente indotta. Ciò dimostra che

durante il differenziamento, la cellula staminale, non ha perso nessun gene e grazie a questa riprogrammazione è

possibile renderla di nuovo staminale. Durante il differenziamento non vi è perdita di geni c’è solo un espressione

genica differenziale, alcuni geni vengono spenti ed altri accesi, quelli che servono. Perché è così difficile definire una

cellula staminale? Come vi ho detto mancano dei marcatori molecolari per caratterizzare le cellule staminali, anche

perché la definizione di cellula staminale, cioè è tale perché si divide è automantenente ecc…, si basa su saggi

funzionali retrospettivi, significa che se una cellula staminale è in grado di automantenersi io lo vedo per esempio

andando a studiare certe caratteristiche in vitro ma anche in vivo cioè trapiantandola sull’organismo, spesso un

tessuto diverso da quello di origine. Quindi c’è tutta una problematica importante dovuta alla manipolazione per

cui si fanno dei saggi retrospettivi, quindi a posteriori vedo se la cellula in questione sapeva fare determinate cose ,

allora era una staminale; se non la sapeva fare allora non era una staminale. Per fare questi saggi manipolo le

cellule, manipolandole in vivo in vitro essendo ricettive queste cambiano, per questo è delicato ed a oggi non esiste

una definizione puntuale di cellula staminale. Esempio di saggio retrospettivo funzionale, nel midollo osseo ci sono

delle cellule staminali ematopoietiche che ogni giorno permettono di sostituire miliardi di globuli rossi , globuli

bianchi, piastrine, non sono abbondanti questi cellule staminali ematopoietiche sono in numero basso. Ad oggi si

conosce tanto su queste cellule staminali ematopoietiche, quindi anche i marker che permettono il loro facile

isolamento, ma per capire, ecco il saggio funzionale retrospettivo, se una cellula isolata da un midollo osseo che

saggio faccio? Prendo un topolino,irradiato con raggi X letalmente, che cosa vuol dire? Che ho fatto fuori in questo

topolino tutte le cellule staminali ematopoietiche. Quindi questo topolino andrà incontro ad aplasia. Non ci sono

cellule staminali ematopoietiche che non potranno sostituire gli elementi figurati del sangue, quindi questo

topolino, letalmente irradiato, morirà. Che cosa posso fare io? Posso fare un trapianto di midollo, cioè trapiantando

delle cellule staminali ematopoietiche prelevate dal midollo di un altro topolino non irradiato. Se le cellule che io ho

trapiantato in questo topo (letalmente irradiato) sono staminali, il mio topo starà perfettamente, sopravvivrà.

Perchè? Perchè queste cellule che io ho trapiantato, se sono staminali ematopoietiche, saranno in grado di

rigenerare tutti gli elementi figurati del sangue per tutta la vita. Perchè queste cellule sono in grado di auto-

mantenersi quindi nel midollo formeranno un pool di staminali ematopoietiche che per tutta la vita di questo

topolino che era stato irradiato letalmente saranno in grado di, ogni giorno, rigenerare e sostituire, considerando il

turn over fisiologico di questi elementi figurati del sangue, per tutta la vita di questo topo. E addirittura che cosa è

possibile? Questi sono esperimenti che sono stati fatti: se la cellula del midollo trapiantata era una cellula

staminale, addirittura è possibile fare un altro trapianto ancora ,quindi prendere il midollo di questo topo, che era

stato irradiato letalmente, questo midollo lo mettiamo in un secondo topo, letalmente irradiato, e queste cellule

saranno in grando anche di rigenerare, in questo secondo topo, tutti gli elementi figurati del sangue. Questo ci dice

che quella cellula era davvero staminale, in grado di dividersi e auto-mantenersi in modo illimitato e indefinito

quindi non solo per la vita di un organismo ma oltre la vita di quell’organismo. Se, ecco il saggio retrospettivo

funzionale, invece di trapiantare delle staminali io avessi trapiantato, in questo topo letalmente irradiato, non la

staminale, ma il progenitore, ricordate? La classica cellula figlia, quella che non è più in grado di dividersi

illimitatamente, ecco che quel topolino sarebbe vissuto per un periodo limitato di tempo, fin tanto che la progenie

di quel progenitore si sarebbe differenziata negli elementi figurati nel sangue, ma poi non essendo staminale

passato un mese o due quel topo sarebbe andato in aplasia e quindi sarebbe morto. Quindi questo è un esempio di

saggio funzionale che a posteriori mi permette di dire: ma quella cellula che avevo fra le mani era una cellula

staminale? Sì perchè il mio topolino è vissuto per tutta la vita. No, perchè dopo un mese è morto. Quindi la cellula

non era una cellula staminale ma era un progenitore. In base alle conoscenze attuali, le cellule staminali si dividono

in due grandi gruppi: le cellule staminali embrionali e le cellule staminali adulte. Le cellule staminali embrionali

sono quelle cellule che vengono isolate dalla massa interna o embrioblasto di una blastoticisti. Quindi da un

embrione di 5 o 6 giorni, quindi prima che quest'embrione si sia impiantato nella mucosa uterina. Queste cellule,

vedete la cellula uovo viene fecondata e iniziano quelle divisioni mitotiche cellulari successive, si arriva allo stadio di

circa 100 cellule e questa è la blastocisti. A questo stadio, quindi dell'embrione di 5 o 6 giorni pre-impianto dalla

massa di cellule interne o embrioblasto possono essere isolate queste cellule che si chiamano cellule staminali

embrionali (ESC). Come vedete esiste un altro grande gruppo di cellule staminali che sono le cellule staminali adulte

o tissutali (ASC= cellule staminali adulte) che come vedrete esistono praticamente in tutti i distretti del nostro corpo

e vivono per tutta la nostra vista e sono quelle cellule che garantiscono, come abbiamo visto per la staminale

ematopoietica del midollo osseo, che rendono conto dell