Cosa ci aspettiamo scientificamente e

terapeuticamente dalla ricerca sulle cellule staminali?

Prof Luca PierelliDipartimento di Medicina Sperimentale – Universita’

Sapienza – RomaUOC Medicina Trasfusionale e Cellule Staminali

Le cellule staminali umaneetimologia del termine

“Staminale” derivazione greca --> stamin-inos = trave, montante

“Staminale” derivazione latina--> stamen-minis = relativo allo stame (il filo dell’ordito, anche riferibile allo stame della vita. Le Parche, secondo il

mito, filavano il destino della vita)

“Staminale” derivazione anglosassone--> staminal = cellula capostipite di un clone

Le cellule staminaliumane

tipologie

• Totipotent stem cells : zigote• Pluripotent stem cells : cellule staminali embrionali• Induced pluripotent stem cells : IPS mediante riprogrammazione dei geni Oct-3/4; SOX; Klf; Myc; Nanog;

LIN28• Adult, multipotent, oligopotent, monopotent

Le cellule staminaliumanetipologie

CONCETTO DI STAMINALITA’

• Capacita’ di autorinnovarsi• Lunga sopravvivenza• Ampio repertorio differenziativo• Capacita’ di differenziare in elementi

funzionalmente attivi

Cellula Staminale Emopoietica nella configurazione di elementi monopotenti

Figure 4. Stages of human yolk sac formation. (Top) The primary yolksac (1°YSC) is formed 7–8 days postconception. Intermediate cells (IC;depicted as white cells) migrate from the endodermal (EL) layer (dark-col- ored cells) of the primary yolk sac to fill in the space between theendo- derm and trophoblastic basal lamina (TBL). (Middle) Thesecondary yolk sac (2°YSC) is formed by the remnants of the primaryyolk sac following its collapse and fragmentation. (Bottom) By 12 dayspostconception, the secondary yolk sac has expanded to the edge ofthe embryonic disk, is lined by endoderm cells (dark cells), andprotrudes into the exocelom (EXO). The mesoderm adjacent to thetrophoblastic basal lamina (TBL) has differ- entiated into mesothelium(MESO). Hematopoietic activity will be present in yolk sac bloodislands arising in the secondary yolk sac by week 3 of gestation.Reproduced with permission of F.F. Nogales (ed): The Human Yolk Sacand Yolk Sac Tumors, Berlin: Springer-Verlag, 1993, pp. 35–36.

“Emopoiesi” ovvero la produzione dellecellule del sangue

NASCITA

ETA’ GESTAZIONALE (giorni)

20 100 20 40 60

TIMO

SACCO VITELLINO

FEGATO FETALE

MILZA FETALE MILZA ADULTA

MIDOLLO OSSEO

260

ETA’ (anni)

DISTRIBUZIONE DEL MIDOLLO OSSEO NEI BAMBINI E NEGLI ADULTI

Midolloosseo

Fegato

Encefalo

Muscolo striato

Cellule ematiche

Adipociti

Cellule staminalinervose

Osso

Endotelio vascolare

Stromamidollare

Cellule epiteliali

Neuroni

Cellule della gliaMuscolo cardiaco

Esempio di plasticita’ staminale nei tessuti murini .

Generazione di mioblasti da staminali umane CD133+ In presenza di desametazone ed idrocortisone

Anti-Myosin D

CD133+ da sangue di cordone

Generazione di osteoblasti da staminali umane CD133+ in presenza di desametazone, ac. ascorbico e beta-glicerol-

fosfato

Anti-Osteopontin

CD133+ da sangue di cordone

Generazione di precursori endoteliali da staminali umane CD133+ in presenza di EGF, VEGF, bFGF, IGF e acido ascorbico

CD133+ da sangue di cordone

Generazione di precursori cardiomiocitici da staminali umane CD133+

in presenza di 5-azacitidina

CD133+ da sangue di cordone

Impiego clinico delle cellule staminali/progenitori CD34+

•Trapianto allogenico (leucemie acute, leucemie croniche, immunodeficienze, aplasie midollari, tesaurismosi, emoglobinopatie)

Chemioterapia d’ induzione

della risposta

Regime di condizionamento mieloablativo e/o immunosoppressivo

Trapianto allogenico

Reinfusione di progenitoriemopoietici HLA-compatibili

Recupero emopoietico con chimerismoGVHD GVT

FOLLOW

UP

Infusione linfocitidel donatore

Impiego clinico delle cellule staminali/progenitori CD34+

• Trapianto autologo (leucemie acute, mielomi, linfomi, carcinoma mammario, carcinoma ovarico, tumori germinali, malattie autoimmuni)

Chemioterapia d’ induzionedella risposta

Chemioterapia/chemioradioterapiaad alte dosi (6/7 volte le dosi

convenzionali)

Trapianto autologoReinfusione di progenitori

emopoietici

Recupero emopoietico

FOLLOW

UP

Treatment of Terminal Leukemic Relapse by Total-Bod y Irradiation and Intravenous Infusion of Stored Auto logous

Bone Marrow Obtained during RemissionJoseph J. McGovern, Jr., M.D. †, Paul S. Russell, M.D. ‡,

Leonard Atkins, M.D. §, Edward W. Webster, Ph.D. ¶, Martha Duane, J. Worth Estes, and David Kelleher

N Engl J Med 1959; 260:675-683April 2, 1959DOI: 10.1056/NEJM195904022601401

Br J Haematol. 1994 Jan;86(1):70-5.Haemopoietic reconstitution after autologous blood stem cell transplantation

in patients with malignancies: a multicentre retros pective study.Pierelli L1, Iacone A, Quaglietta AM, Nicolucci A, Menichella G, Benedetti Panici

P, D'Antonio D, De Laurenzi A, De Rosa L, Fioritoni G, et al.

5

Raccolta delle cellule staminali emopoietiche dal sangue

cordonale

Raccolta delle cellule staminali emopoietiche dal sangue

midollare

Raccolta delle cellule staminali emopoietiche dal sangue

periferico

4

2

Europa: 2011

L’intero pianeta: 2006-2008

Biol Blood Marrow Transplant. 2008 Jun;14(6):641-50 . doi: 10.1016/j.bbmt.2008.03.005.

HLA-haploidentical bone marrow transplantation for hematologic malignancies using nonmyeloablative conditioning and high-dose, posttransplantation

cyclophosphamide.Luznik L1, O'Donnell PV, Symons HJ, Chen AR, Leffell MS,

Zahurak M, Gooley TA, Piantadosi S, Kaup M, Ambinde r RF, Huff CA, Matsui W, Bolaños-Meade J, Borrello I, Powell

JD, Harrington E, Warnock S, Flowers M, Brodsky RA, Sandmaier BM, Storb RF, Jones RJ, Fuchs EJ.

33

HSC NicheCytokinereceptor

SDF-1gradient

VLA4/VCAM1 c-Kit

SCF

Extracellular matrix proteinsand soluble cytokines

Vascular endothelium

CXCR4

Stromal cells

Notch1/Jagged1

Mesenchimal Stem Cells

Descritte nel 1970 Friedenstein e coll.

Origine midollare

Derivate da un progenitore non emopoietico

Forma fibroblastoide

Anni ‘80 Castro-Malaspina

0.01-01% cellule midollari

Elementi cellulari in grado di produrre citochine stimolanti l’emopoiesi

Denominate CFU-F Unità formanti colonie fibroblastoidi

Multipotenza delle MSC

MSC alla confluenza

Osteogenesi

Membrana di acido ialuronico Imbibita di midollo osseo (residuo dopo intervento chirurgico per condropatia in coltura rilascia nel tempo MSC

MSC da SVF + scaffold di Fosfato Tri-calcico - Adipogenesi prima della colorazione

MSC da SVF + scaffold di Fosfato Tri-calcico - Adipogenesi colorazione con Oil Red

MSC da SVF + scaffold di Fosfato Tri-calcico - Osteogenesi

MSC da SVF + scaffold di Fosfato Tri-calcico - Osteogenesi

CELLULE MESEMCHIMALI STROMALI

SORGENTI MSCs

MSCsCellule Stromali

Mesenchimali

MIDOLLO OSSEO TESSUTOADIPOSO SANGUE

CORDONALE GELATINA DI WHARTON

POLPA DENTALE ( denti decidui )

TESSUTO CONNETTIVO

TESSUTO OSSEO LIQUIDO

SINOVIALE

PLACENTA

MULTIPOTENZIALITA’ DIFFERENZIATIVA

�Tessuto adiposo�Tessuto osseo

�Tessuto cartilagineo�Tessuto muscolare�Tessuto connettivo

MSCsCellule Stromali

Mesenchimali

MESODERMA

ENDODERMA

ECTODERMA �Epidermide� Neuroni

�Fegato �Polmone�Pancreas

�Tratto gastro-intestinale

ATTIVITA’ IMMUNOMODULATORIA

SFUGGONO ALL’AGGRESSIONE DEL SISTEMA IMMUNITARIO

DELL’OSPITE

SCARSA IMMUNOGENICITA’

Scarsa espressione di HLA

( Classe I e Classe II )

INIBIZIONE

�Proliferazione dei linfociti T ( Th1 e T killer )

� Proliferazione dei linfociti B ( produzione di anticorpi ) � Funzione delle APC

� Produzione di citochine

ATTIVITA’ IMMUNOMODULATORIA

Attivazione Linfociti T reg

APPLICAZIONI DELLE MSCS

MSCsCellule

Mesenchimali Stromali

ORTOPEDIA �Lesioni Osteocondrali

�Lesioni Articolari

CHIRURGIA PLASTICA� Ulcere Croniche

� Ustioni � Cicatrici

� Ricostruzione del seno

CARDIOLOGIA�Cardiomiopatie

�Infarto del miocardio

ODONTOIATRIA�Rigenerazione dentina �Rigenerazione polpa

dentale

NEUROLOGIA�Danni al midollo spinale�Ischemia cerebrale

Clinical Trials.gov

493 studies found for Mesenchymal Stem Cells

Phase I / II

� 96 Bone and Cartilage disease� 87 Neurological disease

� 73 Cardiovascular Disease� 35 GVHD

� 31 Liver disease� 29 Hematological diseases

� 27 Diabetes� 23 Lung Disease� 13 Chron’s disease� 9 Kidney Disease

� 2 Lupus erythematosus

� 73 Other

�2 Bone and Cartilage diseasePhase III/IV

CotransplantationTissue regeneration

Immune regulation

2006

Oct4/3, Sox2, Klf4, c-Myc (Yamanaka S, 2006)

In 2006, Sinhya Yamanaka dimostrated the possbility to reprogramming fibroblasts into pluripotent stem cells with only 4

factors (Oct4, Sox2, Klf4,c-Myc)

INDUCED PLURIPOTENT STEM CELLS ( iPSCs )

INDUCED PLURIPOTENT STEM CELLS ( iPSCs )

Lee G. Nature Methods 2010

iPSCs : APPLICATIONS

iPSCs : CELL THERAPY STRATEGIES

1. iPSCs BASED THERAPY FOR NON GENETIC DISORDERS

First clinical trial with iPSCS ( 2013)

iPSCs

RPE RETINAL

PIGMENTED

EPITHELIUM

RETINA TRANSPLANT

2. iPSCs BASED THERAPY FOR GENETIC DISORDERS

Generation of functional TISSUES from iPSCs

Utilizzo di strategie non integrative

( integrazione = mutazioni = tumorigenesi )

Utilizzo di prodotti xenofree < rischio di risposte immunologiche

Protocolli altamente efficienti di differenziamento per la produzione

di cellule funzionali e “safe” < rischio tumorigenicità

iPSCs TOWARD THE CLINIC

Ottimizzazione dei metodi di delivery,

integrazione e funzionalità delle cellule

trapiantate nel tessuto ricevente

Studi di “ long term safety” per escludere la formazione di

teratoma e/o di cellule geneticamente instabili