Biologia cellulare

Biologia cellulare

La cellula è un sistema aperto, scambia energia, è in grado di accrescersi e di riprodursi, la cellula è l'unità fondamentale della materia vivente e ne possiede tutte le proprietà fondamentali. La riproduzione è la caratteristica fondamentale. Tutti gli esseri viventi sono costituiti da cellule. Le dimensioni cellulari, la loro unità di misura è il micrometro che corrisponde a 10⁶. Devono mantenere un rapporto tra superficie e volume, la superficie è la membrana plasmatica, quel rivestimento che identifica ogni cellula ed è ciò che è in contatto con il sistema esterno, e questo deve essere efficiente per gli scambi tra interno ed esterno.

Spesso dimensioni e forma sono correlate per permettere a quella precisa cellula di svolgere la sua funzione. Gli enterociti sono cellule con molta polarità, infatti la parte apicale è diversa da quella basale. In quella apicale hanno dei microvilli, è un esempio di cellule con una determinata funzione (assorbimento di nutrienti) che per svolgerla ha dei microvilli che aumentano la superficie per aumentare l’assorbimento. Osservando i vari tipi cellulari capiamo come cambiare la loro forma rappresenta una strategia per aumentare il rapporto superficie/volume.

Il percorso che porta alla specializzazione di cellule diverse, parte dallo zigote e poi avviene durante lo sviluppo embrionale.

Ciclo cellulare

È importante osservare come i processi come duplicazione o segregazione del DNA nelle cellule figlie, sono processi universali, sono processi che si sono evoluti moltissimi anni fa e sono stati conservati durante l’evoluzione. Questi processi unificano tutti i tipi di cellule. Lo zigote, totipotente, è la cellula uovo fecondata. Da questa cellula inizierà una sequenza di divisioni e poi le cellule inizieranno a differenziarsi.

Tutte le cellule, tranne i globuli rossi, condividono lo stesso genoma, perché tutti derivano da divisioni preesistenti della cellula uovo. Ciò che cambia da cellula a cellula è una diversa espressione dei geni, ogni cellula esprimerà i geni che corrispondono alla sua funzione e reprimerà gli altri. Ci sono cellule che sono in grado di muoversi, la migrazione può essere stimolata o repressa.

In un organismo pluricellulare, per il nostro benessere ogni giorno devono essere garantiti quelli che sono processi rigenerativi, cioè cellule danneggiate devono poter essere sostituite, quindi devono potersi verificare questi processi di sostituzione. In linea generale un tipo cellulare specializzato è una cellula definita postmitotica, cioè non è più in grado di dividersi, una cellula che vive perennemente nelle sua G1-G0 perché non è più in grado di dividersi. Ma poiché per il nostro benessere servono processi rigenerativi, chi sta alla base? Devono esistere delle riserve di cellule indifferenziate, ancora capaci di dividersi, che sono in grado di rimanere nei vari distretti capaci di generare progenie che andranno a sostituire le cellule danneggiate.

Cellule staminali

Una cellula staminale è una cellula in grado di dividersi per un tempo illimitato e indefinito, originando due cellule, una identica alla madre (anch’essa staminale) e che costituisce la caratteristica fondamentale del mantenimento, ed una non staminale ma che è ancora in grado di dividersi ma non per un tempo illimitato e si chiama progenitore e la sua progenie andrà incontro a differenziamento. La cellula staminale si riproduce molto più lentamente rispetto al progenitore, che grazie alle loro frequenti divisioni garantiscono una progenie numerosa per sostituire il tessuto di cui fa parte, ma sono divisioni limitate.

La cellula staminale può fare tutto questo andando incontro a due tipi di divisione:

• Asimmetrica, le due cellule figlie non sono identiche, una è staminale ed una è il progenitore (auto mantenimento e differenziamento)
• Simmetrica, le due cellule figlie della staminale sono identiche, o entrambe staminali o entrambe progenitori. (auto mantenimento o differenziamento)

Nel microambiente in cui la staminale vive, ci sono stimoli che influenzano la cellula e le fanno decidere cosa fare, che tipo di divisione fare. Se un pezzo di pelle viene danneggiato, in quel punto la riserva di staminali in quel punto sarà danneggiata quindi oltre ai progenitori serve anche di ricreare staminali.

Ad oggi non siamo in grado di distinguere le due cellule figlie delle staminali, appena nate le due cellule figlie sono identiche, poiché non conosciamo tutti i marcatori, non siamo in grado di riconoscere quella di mantenimento e il progenitore, perché all’inizio sono molto uguali. Per distinguere le due cellule figlie, poiché non abbiamo i marcatori, ci basiamo su saggi funzionali retrospettivi.

Sappiamo che nel midollo osseo ci sono riserve di cellule staminali come quelle emopoietiche, da questa riserva vengono prodotti milioni di cellule che contribuiscono a rinnovare gli elementi figurati del sangue. Se supponiamo di irradiare un topolino per distruggere le cellule staminali emopoietiche, senza il rinnovo del sangue, è destinato a morire. Facendo un trapianto, possiamo trapiantare il midollo con il midollo di un secondo topo. Se abbiamo isolato bene le staminali, saranno in grado per tutta la vita del topolino, garantirgli l’emopoiesi, ma se è stato trapiantato non con staminali ma con progenitori, questo avrà garantita l’emopoiesi per un certo tempo ma non per tutta la vita.

Le cellule staminali si dividono in due gruppi:

• Embrionali (ESC), sono i blastocisti, uno stadio di sviluppo preciso dell’embrione. Sono più potenti riguardo al potenziale differenziativo.
• Dei tessuti (tissutali), o adulti (ASC), cellule indifferenziate immature che quando c’è bisogno di sostituire cellule danneggiate, iniziano a differenziarsi.

Bisogna considerare che fra le cellule staminali adulte si considerano quelle neonatali, quelle fetali, quelle isolabili da sangue cordonale e dalla placenta.

Cellule staminali tissutali

Parlando delle cellule staminali tissutali, se questi meccanismi che fanno dividere le cellule al momento giusto e nel modo giusto, non funzionassero bene, si presenterebbero delle patologie.

• Se le staminali non si riescono a mantenere, le riserve finiscono e non c’è più rigenerazione. Perdono la capacità di automantenimento.
• Un tessuto sottoposto a un danno cronico, vede il graduale esaurimento del compartimento staminale. Per esempio nella distrofia muscolare, si differenziano male e quindi vengono riprodotte di continuo.
• Quando una popolazione staminale si autorinnova in maniera incontrollata potrebbe instaurarsi un meccanismo in grado di generare tumori.

Si deve al biologo tedesco Ernst Haeckel nel 1868 l’utilizzo del termine cellula staminale, stammzelle (zell-cellula, stamm-stipite), per cellula capostipite di una discendenza cellulare. Successivamente altri scienziati come August Weismann (1885), Alexander Maximov (1908), Wera Dantschakoff (1908) iniziarono ad usare il termine cellula staminale.

Caratteristiche delle cellule staminali

• Capacità di mantenersi, cioè l’autorinnovamento, sia simmetrico che asimmetrico.
• Capacità di differenziamento

Lo zigote è la cellula totipotente in assoluto. Questa capacità di creare tipi cellula diversi viene un po’ persa e si parla di multipotenza, pluripotenza, bipotente, unipotente.

Totipotente, è la capacità di una singola cellula di dividersi e produrre tutte le cellule differenziate in un organismo, compresi tessuti extra-embrionali. Le cellule staminali totipotenti sono gli zigoti e i blastomeri ossia le cellule della morula, dell’embrione di 2-4 giorni.

Pluripotenti, è la capacità di una singola cellula di dividersi e dar luogo ad una progenie in grado di differenziarsi in uno qualsiasi dei tipi cellulari derivati dai tre strati germinali: endoderma, mesoderma, ectoderma. Le cellule staminali embrionali sono pluripotenti.

Multipotenti, hanno la capacità di differenziarsi in diversi tipi di cellula. Le cellule staminali adulte ematopoietiche sono un esempio di cellule staminali multipotenti.

Unipotenti hanno la capacità di differenziarsi in un unico tipo di cellula, per esempio la cellula satellite, residente nel muscolo scheletrico, che normalmente può generare un solo tipo di cellula, il miocita del muscolo scheletrico.

Cellule staminali embrionali

Le cellule staminali embrionali (ESC) possono essere isolate e compaiono in uno sviluppo dell’embrione molto precoce. Cinque sei giorni dopo la fecondazione, sono presenti nella massa cellulare interna (o embrioblasto) della blastocisti poco prima dell’impianto nella mucosa uterina, prevede un centinaio di cellule che possono essere coltivate in opportune condizioni per lunghi periodi di tempo e sono in grado di generare un numero elevatissimo di cellule figlie in grado di differenziare in tutti i tessuti dell’organismo e per tale motivo sono definite pluripotenti. Ci vogliono opportune condizioni di coltura per mantenerle tali. Cambiando le condizioni di crescita possiamo da queste cellule ottenere tutti i tipi cellulari di cui siamo costituiti.

Nel 1901 furono isolate le prime cellule staminali da mammiferi, Evans e Kaufman riuscirono a prelevare da blastocisti, cellule staminali di topo. È uno stadio molto precoce dell’embrione, se si aspetta molto non sono più pluripotenti.

È stata fatta una lista con le caratteristiche di una cellula embrionale, ci sono tre test che devono essere fatti su una staminale embrionale per verificarne l’identicità:

• Capacità di differenziarsi, differenziamento in vitro attraverso il cambiamento di condizioni di coltura.
• Formazioni di teratomi, se iniettate sottocute in un topo immunodepresso le cellule pluripotenti generano un tumore. Si tratta di un tumore dei tessuti embrionali, che è indice della potenza differenziativa (la pluripotenza) delle cellule che lo generano. Se queste cellule ricevono stimoli sbagliati possono intraprendere una strada sbagliata e possono diventare molto pericolose.
• Formazione di chimere, non può essere applicata a cellule embrionali umane, infatti quando le staminali vengono iniettate in un’altra blastocisti, devono essere in grado di comportarsi come cellule di una blastocisti, non devono quindi perdere la loro funzione. L’individuo che si genera sarà chimerico, cioè avrà due genomi diversi, il suo e quello impiantato per fare l’esperimento. Quando iniettate nella cavità di una blastocisti ospite, la blastocele, le ESC sono in grado di colonizzare tutti i tessuti dell’embrione chimerico (chimerico perché composto da due genomi diversi) compresa la linea germinale.

Le ESC possono essere coltivate in opportune condizioni in vitro e sono in grado di mantenere le caratteristiche di pluripotenza. Per mantenere una ESC nel suo stato indifferenziato è necessario che esprima fattori trascrizionali embrionali come Oct4 e Nanog e riceva costantemente nel mezzo di crescita la citochina LIF (Leukemia Inhibitory Factor) su uno strato di cellule nutrici (feeder layer). ESC sono in grado di differenziare in popolazioni cellulari mature appartenenti a ciascuno dei tre foglietti germinativi.

Nel 1998 Thomson dichiara di essere riuscito a isolare cellule staminali umane da blastocisti, mantenute in azoto liquido. Le ESC possono essere coltivate in opportune condizioni in vitro e sono in grado di mantenersi per un tempo illimitato. Ci sono roventi polemiche di natura etica, le ESC umane possono dare origine a tutti i tessuti differenziati del nostro corpo. Diversi studi in modelli animali hanno dimostrato che le ESC possono migliorare alcune malattie congenite, malattie cardiovascolari e diabete e traumi del midollo spinale.

Tuttavia le ESC umane ottenute da embrioni non impiantati ottenuti in eccesso durante procedure di fecondazione in vitro sono immunologicamente diverse dal paziente trapiantato, si renderebbero necessarie dunque terapie immunosoppressive come nei trapianti d’organo. Non è da sottovalutare il rischio dell’insorgenza di teratomi. Si cerca di utilizzare ESC già parzialmente indirizzate (parzialmente differenziate) verso il tipo cellulare da curare.

Le ESC possono essere modificate geneticamente sostituendo un gene di interesse con uno mutato mediante ricombinazione omologa. Iniettate nella blastocele di una blastocisti ospite, le ESC modificate geneticamente possono colonizzare tutti i tessuti dell’embrione, creando dei modelli di malattie umane. In Italia non è possibile isolare cellule staminali embrionali, ma è possibile studiare su cellule isolate in paesi dove è possibile farlo.

Cellule staminali adulte (ASC)

Rimangono nei vari distretti delle riserve di cellule staminali tissutali e servono per contribuire alla rigenerazione. Sono in grado di creare una progenie differenziata nuova e sostituire quella vecchia. Ci sono tessuti con un frequente ricambio, viceversa dei tessuti in cui la rigenerazione è molto meno frequente. L’istologo torinese Giulio Bizzozero nell’800 classificava i tessuti in labili, stabili o perenni, in base alla loro capacità di ricambio. Questa classificazione è superata perché sono state isolate e caratterizzate cellule staminali nel cervello che è considerato un tessuto perenne per eccellenza. La produzione di neuroni che avviene è solo in certe zone del cervello, non in tutto.

Le cellule staminali adulte sono quindi in tutti i distretti anche in quei tessuti che prima venivano considerati perenni, come il cervello, anche se in modi diversi. Le cellule adulte o tissutali sono in grado dividersi, rimangono per tutta la vita e in linea generale generano una progenie che si differenzia in cellule tipiche del tessuto a cui appartiene. Le staminali adulte sono o multipotenti o unipotenti.

Queste cellule sono in grado di dividersi ma lo fanno raramente, questo è anche una forma di sicurezza, poiché se la staminale si dividesse molte volte durante la vita dell’individuo, questa avrebbe più probabilità di accumulare mutazioni durante le sue divisioni. La staminale per questo si divide raramente mentre è il progenitore che è non più staminale di divide moltissime volte. I progenitori sono commissionati e solo parzialmente differenziati, ancora proliferanti e in grado di dare origine alle cellule differenziate. Il comportamento delle staminali adulte è molto influenzato dal microambiente in cui si trova.

Come le embrionali anche le staminali adulte sono un forte soggetto di ricerca, le staminali adulte non sono tumorgeniche a differenza di quelle embrionali, avendo un potenziale differenziativo più limitato sono più limitate anche le patologie e le possibili ricadute. Ovviamente sempre in una possibile terapia cellulare, utilizzare le staminali adulte di un paziente per curare quello stesso paziente, eviterebbe i problemi di rigetto.

Le cellule staminali embrionali sono quelle che garantiscono lo sviluppo dell’individuo mentre le cellule staminali tissutali servono per permettere i processi di rigenerazione o di riparo, garantiscono l’omeostasi di quel tessuto o organo e in generale dell’organismo. È importante conoscere il microambiente in cui queste cellule si trovano, infatti alla base del comportamento della staminale ci sono dei segnali che la cellula riceva dai tessuti stessi, vengono ricevuti e ne influenzano la sua capacità di proliferare e quindi generare altra progenie che può differenziarsi.

Sia le embrionali che le tissutali sono oggetto di molto studio, poiché stanno cercando di utilizzare queste cellule per la cura di alcune malattie o per trapianti. Le cellule tissutali sono virtualmente in tutti i distretti dell’organismo, siano nei tessuti perenni che non, queste cellule non si dividono più, ma stanno in una perenne fase G0, quindi se danneggiate devono essere sostituite da altre. Le cellule staminali adulte quindi si trovano nel midollo osseo, sangue, cornea, fegato, epidermide, epitelio bronchiale, pancreas, tratto gastrointestinale, tessuto adiposo sono fonti di cellule staminali adulte. Presenti nei tessuti a rapido ricambio fisiologico come epiteli e sangue. Recentemente evidenziate in tessuti una volta considerati “perenni” come nervoso, muscolare e scheletrico.

Negli anni '90 Weiss e Reynolds hanno identificato le cellule staminali neurali nel cervello maturo. Tali cellule sostengono la produzione di un numero limitato di neuroni nell’ippocampo deputato alla memoria e all’apprendimento, e nella zona sottoventricolare.

Tessuti diversi hanno quantità diverse di cellule staminali, sono rare e poco proliferative, ma sono dotate come tutte le altre da auto rinnovamento e differenziamento, simmetrico o asimmetrico.

Non è semplice distinguere le due cellule figlie, se sono anch’esse staminali o progenitori, quindi c’è molto da fare anche riguardo ai marcatori che servono per distinguerle. In condizioni di equilibrio, dobbiamo aspettarci che il 50% delle cellule che si originano da divisione di cellulare sia staminali e le altre siano progenitrici. La divisione asimmetrica vera e propria genera due cellule che hanno già determinanti diversi al momento della nascita. È previsto un modello di divisione asimmetrica più flessibile e si chiama asimmetria ambientale in cui alla nascita le due cellule figlie sono identiche ma l’ambiente e gli stimoli diversi che ricevono, che faranno assumere le caratteristiche staminali ad una e progenitrici all’altra.

In condizioni di equilibrio, il 50% della progenie delle cellule staminali di una generazione deve rimanere staminale. In teoria esistono due meccanismi per mantenere tale equilibrio, per asimmetria ambientale e per asimmetria divisionale. Nella asimmetria divisionale la cellula staminale ha un’asimmetria interna e si divide in due cellule figlie già dotate di determinanti diversi al momento della nascita. Nella asimmetria ambientale le cellule figlie di una cellula staminale sono inizialmente simili e possono essere indirizzate a destini diversi sulla base di diverse influenze ambientali che agiscono dopo la loro nascita.