Medicina rigenerativa e rigenerazione cellulare

Biologia delle cellule staminali

Cos'è una cellula staminale?

Luca: La staminale è una cellula potente (cioè che può dare origine a diversi tipi cellulari) e che fa self renewal, cioè durante una divisione dà vita a una cellula funzionalmente uguale a se stessa che si mantiene per tutta la vita.

Prof: Però l'embrionale che è la madre di tutte le staminali non fa self renewal perché noi adesso non ce l'abbiamo più. O il self renewal non è l'essenza della cellula staminale o l'embrionale non è una cellula staminale. Altro?

Manna: La staminale è una cellula pluripotente cioè capace di differenziarsi in più cellule.

Prof: Intanto che cos'è la potenza? La capacità di differenziare in vari tessuti. Se la pluripotenza fosse legata alla cellula staminale significherebbe che noi dovremmo avere solo una cellula staminale, che è quella embrionale che però non fa self renewal.

L'unica cellula totipotente del nostro organismo è lo zigote. Le cellule del sangue non sono pluripotenti, quindi eliminiamo la pluripotenza. Inseriamo la multipotenza. Dà origine a diverse cellule all'interno dello stesso tessuto. Quindi se hai una cellula che dà origine a un solo elemento cellulare di un tessuto non può essere una staminale?

Concetti di self renewal e multipotenza

Ricapitolando, il self renewal non identifica una staminale perché l'embrionale che è la madre delle staminali non fa self renewal. Infatti, la staminale l'abbiamo tutta la vita mentre l'embrionale no, per cui significa che non fa self renewal. Poi abbiamo detto che la staminale deve essere pluripotente, come l'embrionale. Però abbiamo detto che il sangue ha le staminali ma non sono pluripotenti ma multipotenti, per cui siamo passati dal concetto di pluripotenza a quello di multipotenza.

Quindi se ho una cellula che non dà origine a più componenti del tessuto, quindi è poco potente (oligo o unipotente) non è una staminale, ci siamo? Però una delle più potenti cellule staminali presenti nel corpo umano è quella della cornea che è unipotente. Quindi non essendo multipotente significa che neanche la potenza identifica la staminale.

Rigenerazione e commitment

Prof: Quindi cos'è una staminale? Abbiamo eliminato il concetto di self renewal e di potenza. Lo spiego: rigenerazione.

Luca: Una cellula che non è committed (non è "orientata"), cioè non differenziata.

Prof: Quindi se prendiamo una cellula staminale dal tuo midollo osseo e te la mettiamo nel cervello ci fa un neurone?

Luca: No, però diciamo che ha delle predisposizioni genetiche per differenziare.

Prof: Quindi è committed, perché se quella staminale ti fa solo, per esempio, cellule del sangue è estremamente committed. Se io prendo una embrionale e la metto in un utero di un elefante nasce un uomo? Puoi provarci. Quindi se è committed non è una cellula staminale? Balle, perché sono tutte pesantemente committed. Sono tutti concetti parzialmente veri.

Capacità di homing e coltivazione

Simo: Capacità di homing, restano nella nicchia e prima del differenziamento si ritrovano lì, poi quando vengono indotte a differenziare intraprendono la loro strada. Le staminali le puoi coltivare? Sì, però è difficile in laboratorio fare una nicchia. Nel momento in cui tu hai tolto una cellula staminale da un ambiente che la mantiene staminale (serie di fattori), quella cellula smette di essere staminale, fa commitment e si differenzia. È questo che intendi?

Manna: Sì, in teoria.

Prof: La cellula staminale quindi non potremmo coltivarla. Quindi dicendo questa frase, implicitamente dici anche che il suo essere staminale non ha nulla a che fare col suo essere indipendente ma dipende dai fattori e quindi non è una proprietà intrinseca della staminale. Cioè che la sua indipendenza è legata a questi fattori. Sbagliato. Perché la puoi amplificare in laboratorio o rimpiantare se la nicchia naturale per vari motivi (patologie o traumi) è distrutta. Quindi ha una fortissima componente autonoma. Se seguissimo quello che dici tu vorrebbe dire che se la mettessimo da un'altra parte, i fattori presenti gli direbbero di smettere di essere una emopoietica e iniziare ad essere una neuronale. L'homing è importante però non caratterizza la staminale.

Divisione e rigenerazione

Maya: Fa divisione asimmetrica. Cioè originano una staminale che mantiene il pool delle staminali e una cellula che si differenzia.

Prof: Quindi una cellula che non fa divisione asimmetrica non è staminale. Però questo concetto è correlato al self renewal quindi l'embrionale sappiamo che non lo fa. Al di fuori di ciò, se noi guardiamo una divisione simmetrica otteniamo lo stesso risultato.

Prof: Ci sono molte staminali. La staminale è un'entità o una funzione? Se è un'entità deve avere una caratteristica precisa, un qualcosa che tu dici se ce l'ha è staminale se non l'ha non lo è.

Luca: Un'entità perché tutte sono in grado di mantenersi uguali a se stesse all'interno di un tessuto.

Prof: No, abbiamo detto che è vero ma non per la madre delle staminali che non fa self renewal (le embrionali).

Luca: Nemmeno una funzione allora perché altrimenti farebbero tutti la stessa cosa.

Prof: Esatto, farebbero tutte la stessa cosa. È una funzione infatti perché tutte le staminali fanno tutte la stessa cosa, ossia rigenerano costantemente, durante tutta la vita dell'organismo, quel particolare tessuto. Non mi interessa se fa divisione simmetrica o asimmetrica, non mi interessa se fa self renewal, l'importante che mi rigeneri il tessuto per tutta la vita dell'organismo.

Infatti, per poter far questo, la staminale adulta di un tessuto che vive 100 anni deve fare self renewal, che poi lo faccia come divisione asimmetrica o simmetrica sono affari suoi, ma l'embrionale una volta che ha fatto i foglietti da cui deriva Michele De Luca se ne va perché ha smesso la sua funzione che è quella di generare appunto Michele De Luca e non fa self renewal. Mentre tutte le altre cellule dei tessuti che si autorinnovano fanno self renewal. La caratteristica comune fondamentale delle staminali è il self renewal ma è una caratteristica non un prerequisito, che invece è quello di rigenerare per tutta la vita il tessuto.

Non mi importa nulla che sia potente. Dipende dal tessuto. Ho cellule molto potenti per esempio nel sangue, le staminali emopoietiche (ho tante cellule del sangue), ma se prendo quelle della cornea queste sono unipotenti addirittura alcune oligopotenti. Se la staminale non fosse committed (differenziata) sarebbe pericolosissimo. Se prendessi una cellula staminale non committed come quella embrionale, se la togliessi dalla blastocisti dove è controllata e la metto in un animale mi fa un carcinoma. Quindi è un progetto funzionale quello staminale che è potentemente regolato. Ora possiamo iniziare a parlare di cellule staminali.

Cellule staminali embrionali e adulte

Secondo voi la zampa (arto) della salamandra o la parte finale del dito del topo ricresce perché c'è una cellula pluripotente blastemica presente o perché arrivano una serie di cellule staminali multipotenti che comunicano tra di loro?

Dove sono le staminali? Zigote, morula, blastocisti, staminali embrionali, feto, staminali adulte. La potenza della cellula staminale diminuisce passando dallo zigote all'individuo adulto. Ma non per questo diminuisce il concetto di staminale nel tessuto. È facile capire se ho una staminale, perché se la tolgo e il tessuto non si rinnova abbiamo una staminale.

Iniziamo quindi a parlare di cellule staminali embrionali che sono le madri delle staminali. Le possiamo coltivare e possiamo fargli fare i diversi tessuti. Quindi il concetto di staminale embrionale è quello che sta all'interno della blastocisti, che è un cluster di cellule sostanzialmente uguali fra loro, circondate da questo gruppo di cellule che sono le cellule del trofoblasto. Questo ammasso di cellule è un individuo? No, è un agglomerato di cellule. Se io prendo questo gruppo di cellule e le butto via mi si forma un individuo? Sì. Se io prendo questo gruppo di cellule e le metto in una blastocisti sviluppo un individuo? Sì. Se io prendo ciascuna di queste cellule e faccio lo stesso sviluppo un individuo? Sì. Quindi ci sono 16 individui tutti uguali fra loro. Sono cellule pluripotenti che hanno la capacità di fare un individuo. Si possono coltivare in laboratorio, sono pluripotenti e in diverse condizioni possono essere indotte a differenziare nei tessuti. Questo è il principio per il quale la gente sta iniziando a pensare di potere teoricamente usare la cellula staminale embrionale per medicina rigenerativa perché sapete che oggi esistono le fecondazioni assistite. Clonazione terapeutica.

Staminali dei tessuti

Staminali dei tessuti: occhio, cervello, pelle, intestino, muscolo e midollo osseo. Nel midollo osseo abbiamo due cellule staminali, la ematopoietica che fa il sangue e la midollare stromale che dà origine a cartilagine, osso e grasso. La ematopoietica è una cellula multi potente.

La mia cellula staminale adulta la voglio preservare, è troppo importante per lavorare tutta la vita. Per cui la natura si è dotata di quelli che sono chiamati i progenitori (Spesso si fa molta confusione tra staminale e progenitore). Spesso è chiamata cellula ad amplificazione transiente perché si divide tanto ma non fa self renewal. Non la troviamo dopo un certo tempo. Si divide rapidamente e continua a essere multipotente (ulteriore prova che la multipotenza non è un prerequisito della staminale).

Il sangue è un esempio perfetto:

• Noi dalla staminale ematopoietica abbiamo due progenitori (linfoide CLP e mieloide CMP) che sono cellule multi potenti che si dividono rapidamente, non fanno self renewal ma che danno origine a tutti gli elementi bianchi e a tutti quelli rossi.
• La staminale tende a fare self renewal e tende a dividersi raramente in molti tessuti. Concettualmente la staminale viene preservata dall'organismo.
• La staminale ematopoietica si divide soltanto una o due volte in modo da dare origine a una cellula uguale a se stessa, alle progenitrici che a loro volta si dividono in linfoide e eritroide che fanno il lavoro "sporco" cioè si dividono e differenziano per dare vita alle cellule del tessuto terminalmente differenziate e hanno una vita finita, ad esempio il globulo rosso dopo 3 mesi muore e un'altra cellula staminale ricomincia di nuovo il giro: tu alla fine hai fatto miliardi di cellule del sistema ematopoietico facendo dividere la cellula staminale raramente e poco attraverso il gruppo dei progenitori.
• Il pool delle cellule TA (transit amplifying) dà informazioni al pool delle cellule staminali per dare info su quello che devono fare in termini di differenziamento e self renewal.

Questo sistema che è preciso e ben regolato dentro ai tessuti ovviamente viene alterato nelle patologie o nelle lesioni. In caso di un incidente in cui si perde molto sangue si attivano migliaia di staminali originando milioni di progenitori perché bisogna risolvere un problema. Attivazione vertiginosa. La quantità di staminali che avete alla fine nella zona guarita della pelle è uguale a quella che avevate prima dell'incidente perché il sistema si autoequilibra un'altra volta, e la cellula sicuramente si è moltiplicata in questo caso sicuramente in modo simmetrico per dare origine al tessuto terminalmente differenziato.

Questa dice ciò che dicevamo prima, la potenza è una misura di quanti tipi cellulari una cellula staminale può fare. Non indica la staminalità ma è una caratteristica. Quella cellula staminale che ho in mano, per esempio, è oligopotente e quindi dà origine soltanto a un tipo specializzato di cellule. Se vogliamo il prototipo di staminale oligopotente è la staminale degli epiteli di rivestimento che danno origine al cheratinocita.

Oligopotente e unipotente concettualmente sono uguali ma c'è differenza. La oligopotente può fare un tipo specializzato soltanto (il cheratinocita) mentre la multi potente può fare molti più tipi specializzati (globulo rosso, bianco ecc...). La pluripotente fa tutti i tipi cellulari specializzati del nostro organismo ed è quella embrionale l'unica presente.

La nicchia

La nicchia: è un microambiente che sta intorno alla cellula, che sostiene e segnala (dà informazioni) alla cellula staminale e che ne regola il self renewal. Esiste anche un contatto, quindi non soltanto fattori diffusibili nella nicchia, con altre componenti cellulari presenti nella nicchia da parte della staminale. Abbiamo anche degli intermedi cellulari. Una cellula che essa stessa fa per sé la nicchia è la cellula Paneth dell'intestino tenue. La cellula staminale che sta alla base delle cripte dell'intestino durante la sua divisione oltre a creare le cellule dell'epitelio intestinale, si costruisce anche una nicchia.

Parliamo in dettaglio delle pluripotenti, cioè delle embrionali. Cellula uovo fecondata da uno spermatozoo forma lo zigote. La blastocisti si forma prima dell'impianto. A livello di morula, quindi prima della blastocisti, è possibile eliminare i blastomeri. Quindi dire che i blastomeri dentro a una morula sono di per sé un individuo, non è scientificamente corretto. Al di fuori della religione, voi potete credere quello che vi pare. Da un punto di vista scientifico sperimentale, la morula non può essere un individuo perché io posso togliere uno o più di questi blastomeri che tutto quello che viene dopo, si sviluppa lo stesso. Posso anche fondere due morule diverse, e dare origine a un solo embrione chimerico che ha le caratteristiche del primo e del secondo. La natura fa spesso questo autonomamente, quando si parla di gemello monocoriale succede quando si divide una morula in due e si formano 2 embrioni identici.

Prima dell'impianto dentro l'utero, la parte esterna delle cellule della morula, comincia a differenziarsi. Dà origine alla blastocisti, che è formata dal trofoblasto (quello che si impianterà nell'utero), da una cavità e dall'embrioblasto dove abbiamo le cellule pluripotenti. Quindi per far nascere un animale, topo o uomo che sia, da una morula in generale di cosa abbiamo bisogno? Solo ed esclusivamente di un utero.

Quando faccio una blastocisti ho perso un po' di potenza perché le cellule dell'embrioblasto non sono più totipotenti ma pluripotenti, cioè danno origine a tutti i tessuti dell'organismo ad eccezione degli annessi. Quindi se io isolassi le cellule della inner cell mass posso fare un individuo? Sì, ho solo bisogno di un utero e di una blastocisti.

Se io prendo una blastocisti e gli levo il suo embrioblasto, mettendogli quello che ho fatto in laboratorio, e metto il tutto nell'utero che animale nasce? Nasce quello del topo ricevente o nasce quello del topo donatore? Nasce quello dell'embrioblasto. Quindi le cellule dell'embrioblasto hanno la potenzialità di fare l'individuo intero ed è proprio su questo asse che si basa tutta la biologia della pluripotenza.

Se io da questo embrioblasto gli levo 4-5 cellule, riesco a far crescere un individuo? Certo, è possibile eliminare 1 o più cellule dell'embrioblasto senza danno per l'embrione. È possibile prendere una cellula dell'embrioblasto e far nascere l'animale. Ovviamente se prendo tutte le cellule dell'embrioblasto e faccio nascere un animale per ciascuna cellula, avrò tanti topini tutti identici l'uno all'altro.

È possibile iniettare embrioblasti da un diverso embrione in un'unica blastocisti e si ottiene un embrione chimerico. Possono essere mantenuti in coltura. E sono le cellule staminali embrionali quelle che possono dare origine a tutti quanti i tessuti in vivo e in vitro.

Quello che vi stavo dicendo prima, quando abbiamo l'inner cell mass (dove ci sono le cell staminali embrionali), a 5-6 giorni dall'impianto si iniziano a sviluppare i tre foglietti embrionali (che si chiama gastrulazione) che coinvolgono quindi la formazione del mesoderma, dell'endoderma, dell'ectoderma e delle cellule germinali. Quindi in realtà è anche possibile isolare delle staminali pluripotenti anche in questa fase. L'epiblasto, ad esempio, è una zona che ha cellule staminali pluripotenti che però sono attivate non sono più in quello che viene chiamato ground state della pluripotenza che è presente solo in una reale inner cell mass. Nella gastrulazione quindi abbiamo la divisione dei tre foglietti che porteranno alla formazione del feto.

Teratocarcinoma

Teratocarcinoma: È un tumore dei tessuti embrionali. Se noi togliamo una staminale dalla blastocisti le togliamo il controllo che la blastocisti esercita su di lei e forma il tumore in cui ci sono tessuti di ogni derivazione, pezzi di denti, capelli, peli, cartilagini, tessuto nervoso, ossa ecc… Voi vedete qui, un tumore (teratocarcinoma) dovuto al fatto che una cell pluripotente è tolta dal suo controllo. Sono tutte le cellule che proliferano e trans differenziano. Hai un agglomerato che ti fa il tumore ce n'è una che ti fa i denti, una ti fa il cervello, una ti fa i peli perché concettualmente è completamente diverso dal fatto che hai una sola cellula che ti dà origine a tutti i componenti. C'è un esperimento del '64 che ti fa vedere come sono riusciti ad isolare 1700 cellule singole e trapiantarle (che è difficilissimo perché durante questi passaggi le cell tendono a morire) e hanno trovato 43 teratocarcinomi che sono tanti: l'esperimento formalmente prova che tu di questi 43 tumori che hai sviluppato uno è fatto solo di cervello, uno solo di...