Cellule staminali
Stem cells
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Si autorigenerano (self renewal)
Capacità di differenziarsi in cellule differenti
stem cell
SELF-RENEWAL
(copying)
stem cell
DIFFERENTIATION
(specializing)
specialized cell
e.g. muscle cell, nerve cell
Types of stem cell:
1) Embryonic stem cells
Embryonic stem (ES) cells:
Where we find them
blastocyst
cells inside
= ‘inner cell mass’
embryonic stem cells taken from
the inner cell mass
outer layer of cells
= ‘trophectoderm’
fluid with nutrients
culture in the lab
to grow more cells
Embryonic stem (ES) cells:
What they can do
differentiation
embryonic stem cells
PLURIPOTENT
all possible types of specialized cells
Embryonic stem (ES) cells:
Challenges
skin
neurons
embryonic stem cells
blood
?
liver
Genera ogni cellula del corpo, compresa la
placenta e i tessuti extra-embrionali
Cellule totipotenti:
possono formare
l’intero organismo
Cellule pluripotenti:
NON possono formare
l’intero organismo
In grado di generare tutte le cellule del
corpo, ad eccezione placenta e nei
tessuti extra-embrionali
Diventano specifici tipi
cellulari; possono o no
avere plasticità
Types of stem cell:
2) Tissue stem cells
Cellule staminali adulte
•
Sono cellule che si trovano nel tessuto
post-natale che può produrre solo i tipi di
cellule specializzate del tessuto da cui
hanno origine:
•
cellule staminali emopoietiche - danno origine a cellule
del sangue
cellule staminali mesenchimali - danno origine a cellule
dei tessuti connettivi e ossa
cellule staminali del cordone ombelicale - una ricca
fonte di cellule staminali ematopoietiche
Le cellule staminali trovate nel liquido amniotico potrebbe essere più flessibile di cellule staminali adulte
•
•
•
Tissue stem cells:
Where we find them
surface of the eye
skin
testicles
brain
breast
intestines (gut)
bone marrow
muscles
Tissue stem cells:
What they can do
blood stem cell
differentiation
found in
bone marrow
MULTIPOTENT
only specialized types of blood cell:
red blood cells, white blood cells,
platelets
Sviluppo delle cellule staminali ematopoietiche
Le HSC possono essere
suddivise in HSC che si
auto-rinnovano a lungo
termine , HSC che si
auto-rinnovano a breve
termine e cellule
progenitrici multipotenti
(frecce rosse indicano
self-renewal). Essi danno
luogo a comuni
progenitori linfoidi (CLPs,
i precursori di tutte le
cellule linfoidi) e comuni
progenitori mieloidi
(CMPS, i precursori di
tutte le cellule mieloidi).
Entrambi CMPS / BPF
(precursori dei macrofagi
granulociti) e CLPs
possono dare origine a
tutte le cellule
dendritiche.
Stem Cells
Progenitori
Multipotenti
Progenitori
ristretti
Cellule
mature
Reya et al. 2001 Nature 414:105-111
Wnt Signaling Pathway
Fodde, R et al., Nat Rev Cancer (2001) 1:57-67
MicroAmbiente delle cellule staminali
Il mantenimento e la sopravvivenza delle
cellule staminali è regolato da fattori
prodotti del microambiente che le
circondano, spesso definito come la
'nicchia delle cellule staminali'.
La nicchia rappresenta un comparto
anatomico che fornisce i segnali alle
cellule staminali in forma di molecole
di superficie e cellulari che
controllano:
1. il tasso di proliferazione
2. il destino delle cellule staminali figlie,
3. protezione delle cellule staminali dalla
morte.
Ma dove si trovano le nicchie?
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•A dispetto delle moltissime ricerche nel campo, la
percentuale di sopravvivenza è passata dal 50% nel1970
al 66% nel 2008 e il cancro rimane la seconda causa di
morte.
Le terapie spesso falliscono
e le cellule cancerose diventano resistenti:
LA BIOLOGIA DEL CANCRO NON E’ ANCORA CHIARITA
Il cancro è eterogeneo
Tumori che derivano da pazienti
differenti sono differenti
(morfologie, marker sulla
superficie, risposta alla terapia)
All’interno di un tumore le cellule
cancerose non sono tra loro
identiche (variazioni genetiche e
epigenetiche)
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Modelli di eterogeneità tumorale
Evoluzione clonale
Clonal evolution
Cellule staminali del cancro
Cancer stem cells
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Evoluzione clonale
Clonal evolution
Cellule staminali del cancro
Cancer stem cells
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• I tumori derivano da cellule normali che mutatano e generano cellule
anormali che anch’esse mutano formando una massa variegata di cellule
tumorali
• La maggior parte delle cellule tumorali possono contribuire al
mantenimento del tumore
Cancro al colon:
Progressione da adenoma precoce a carcinoma invasivo riflette l’accusione
progressiva di mutazioni in specifici geni correlati al cancro (oncogeni e
soppressori tumorali)
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Evoluzione clonale
Clonal evolution
Cellule staminali del cancro
Cancer stem cells
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Self-renewal Assay in NOD/SCID Mice
(Non-obese diabetic/severe combined immunodeficiency)
FACS Cell
Sorter
Cancer Cells
(ex: Leukaemia cells
CD34+ è una glicoproteina usata
come marker di cellule
ematopoietiche pluripotenti
Frequenza delle cellule cd434+/cd28- : 1/1.000.000
Self-renewal Assay in NOD/SCID Mice
FACS Cell
Sorter
Solid Tumor
Mince
(small
pieces)
Single Cell
Suspension
CD44 Expression
For solid tumors: surgical orthotopic implantation (SOI)
CD24 Expression
Surgical
Implantation
100 cellule cd44+/cd24- provocano tumore, mentre 50.000 cellule con fenotipi diversi
non hanno nessun effetto
Breast Cancer Stem Cells: CD44+ CD24low Lin- B38.1+ ESA+
CD44 and CD24 – adhesion molecules
B38.1 – breast/ovarian cancer-specific marker
ESA – epithelial specific antigen
Al-Hajj, Muhammad et al. (2003) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 3983-3988
Stem Cells in the Nervous System
CSCs del cervello: CD133+
CD133 – neuronal stem cell marker
Le CSCs del cervello sono state identificate nei campioni di tumore atraverso
la tecnica delle neurosfere normalmente utilizzata per isolare le cellule neurali
staminali.
GFAP = glial fibrillary acidic protein
Singh et. al 2003 Cancer Research 63: 5821-5828.
Le CSCs del cervello sono state identificate con trapianto intracraniale di
cellule CD133+ nel cervello di topi SCID adulti
CD133+
CD133+
CD133-
Singh et al. 2004 Nature 432: 396-401
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I tumori consistono di 2 tipi cellulari con funzioni distinte:
1. Le Cancer stem cell (CSC)
2. la progenie che non ha la capacità di autorigenerarsi (self-renewing)
Il tumore ha un arrangiamento gerarchico e le CSC sono le cellule
capaci di
A) iniziare B) sostenere e C) espandere la malattia
Cosa sono le cancer stem cells (CSC)????
•Sotto-insieme di cellule tumorali che
hanno l’abilità di autorigenerarsi e
generare diverse cellule che
compongono il tumore
•Riflettono proprietà “stem-like” e l’abilità
di sostenere in modo continuo la
tumorigenesi
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•La capacità di differenziarsi in qualsiasi
tipo cellulare NON è una caratteristica
PECULIARE delle CSC
Proprietà condivise dalle cellule staminali
normali e dalle cancer stem cells
• Divisione Asimmetrica:
– Self renewal
• stem cells normali tessuto specifiche devono autoregenerarsi per il
mantenimento di specifici organi
• Cancer stem cells si autorigenerano per mantenere la crescita
tumorale
- Differenziamento in cellule mature fenotipicamente differenti
• Producono una popolazione eterogenea di cellule che compongono
l’organo o il tumore ma che non sono in grado di proliferare in modo
illimitato ( arrangiamento gerarchico delle cellule)
• Regolati da pathway simili
– Pathways che regolano il self-renewal delle staminali sono
disregolati nellle cancer stem cells
Quali cellule nella gerarchia sono Cancer stem cells?
Riscostituzione in vivo
Cancer stem cell = stem cell che diventano cancerose
Cancer stem cells = cellule normali che ricevono il primo imput che porta alla
tumorogenesi e che acquisiscono la capacità di autorigenerarsi
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La nicchia delle CSCs
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Pathways coinvolti nel self-renewal che sono deregolati nelle CSCs
Wnt, Shh, and Notch pathways have been shown to contribute to the self-renewal of stem cells and/or progenitors in a variety
of organs, including the haematopoietic and nervous systems. When dysregulated, these pathways can contribute to
oncogenesis. Mutations of these pathways have been associated with a number of human tumours, including colon
carcinoma and epidermal tumours (Wnt), medulloblastoma and basal cell carcinoma (Shh), and T-cell leukaemias (Notch).
La presenza delle CSCs potrebbe spiegare il fatto che le
terapie convenzionali spesso falliscono
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Implicazioni teraupetiche delle CSCs
• La maggior parte delle terapie non considera la differenza tra la sensibilità alle droghe
delle CSCs e della progenie non tumorigenica
•La maggior parte delle terapie risparmia le cancer stem cells quiescienti.
Metastasi
• Processo attraverso il quale le cellule lasciano il
tumore primario, viaggiano, attraverso il sisteme
circolatorio, in un sito distante dove stabiliscono
un tumore secondario.
• La metastasi dipende dalla crescita tumorela,
dall’angiogenesi, dalle capacità invasive e dalla
sopravvivenza della cellula
Es. per i tumori epiteliali, la transizione epitelio-mesenchima (EMT) è
considerato un evento cruciale per il processo metastatico che
prevede l’acquisizione da parte delle cellule epiteliali del fenotipo
migratorio tipico dielle cellule mesenchimali
La Metastasi è un processo multiplo
•
Vascolarizzazione del tumore primario
– Il tumore cresce attraverso la sintesi e la secrezione
di fattori angiogenici
•
•
Invasione dello stroma degli organi attraverso
ad esempio espressione di enzimi come MMP9
e successiva invasione dei canali vascolari e
linfatici
Evitare una volta entrati nel sistema vascolare
o linfatico, i meccanismi immuni o non-immuni
• Arrestarsi nei capillari vicino organi
bersaglio
• Invadere in organi distali target
• Sopravvivere e proliferare negli organi
bersaglio
– Dipende da multiple interazioni (“cross-talk”)
tra le cellule tumorali e il microambiente
dell’organo ospitante
Sommario: Processo Metastatico
Le cellule metastatiche
sono cellule staminali cancerose
migranti????
mCSC =
Cellule
staminali
cancerose
metastatche
Cell Stem Cell. 2007 Sep 13;1(3):313-23.
Distinct populations of cancer stem cells determine tumor growth
and metastatic activity in human pancreatic cancer.
Hermann PC, Huber SL, Herrler T, Aicher A, Ellwart JW, Guba M, Bruns CJ, Heeschen C.
Department of Surgery, Ludwig-Maximilians-University, 81377 Munich, Germany.
Abstract
Pancreatic adenocarcinoma is currently the fourth leading cause for cancer-related mortality.
Stem cells have been implicated in pancreatic tumor growth, but the specific role of these cancer
stem cells in tumor biology, including metastasis, is still uncertain.
We found that human pancreatic cancer tissue contains cancer stem cells defined by CD133
expression that are exclusively tumorigenic and highly resistant to standard chemotherapy.
In the invasive front of pancreatic tumors, a distinct subpopulation of CD133(+) CXCR4(+)
cancer stem cells was identified that determines the metastatic phenotype of the individual
tumor.
Depletion of the cancer stem cell pool for these migrating cancer stem cells virtually abrogated
the metastatic phenotype of pancreatic tumors without affecting their tumorigenic potential. In
conclusion, we demonstrate that a subpopulation of migrating CD133(+) CXCR4(+) cancer stem
cells is essential for tumor metastasis. Strategies aimed at modulating the SDF-1/CXCR4 axis
may have important clinical applications to inhibit metastasis of cancer stem cells.
La presenza delle CSCs potrebbe spiegare il fatto che le
terapie convenzionali spesso falliscono
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Ricerche correnti stanno dimostrando che un singolo marker
universale non può esistere
Ad es: uno dei primi marker di CSC di tumori celebrali ad essere
identificato è stato CD133, ma evidenze recenti hanno dimostrato che
non tutti i tumori celebrali possiedono popolazione di CSC che sono
CD133+
QuickTime™ e un
de com press ore
so no n ece ssari per vi sual izza re qu est'imm agin e.
Inoltre bisogna considerare che:
•la possibile esistenza di più
popolazioni di CSCs all’interno
dello stesso tumore
•Non tutti i cancri potrebbero
essere guidati da CSCs (Es.
IPS:Indiced Pluripotent Stem cell)
Types of stem cell:
3)Induced pluripotent (iPS)
stem cells
Induced pluripotent stem cells (iPS cells)
‘genetic reprogramming’
= add certain genes to the cell
cell from the body
induced pluripotent stem (iPS) cell
behaves like an embryonic stem cell
differentiation
culture iPS cells in the lab
Advantage: no need for embryos!
all possible types of
specialized cells
Induced pluripotent stem cells (iPS cells)
genetic reprogramming
pluripotent stem cell
(iPS)
cell from the body (skin)
differentiation
Nuove strategie teraupetiche
Anticorpi o vaccini contro
marker di superficie specifici
Colpire i pathway tipici delle
CSC ( WnT, TGF-brta,
Notch…)
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Terapia mirata al paziente
Direzioni future
-Necessità di caratterizzare le CSCs a livello di singola cellula
- Capire i meccanismi biochimici e genetici che controllano il
self-renewal, la suddivisione asimmetrica e il ruolo della nicchia
nel regolare le proprietà biologiche
-Caratterizzare la risposta delle CSCs ai reagenti
chemioterapici
-Sviluppare le strategie terapeutiche per prevenire la
ricorrenza del tumore