Cellule staminali Stem cells

(1)

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Si autorigenerano (self renewal)

Capacità di differenziarsi in cellule differenti

Cellule staminali Stem cells

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stem cell

stem cell SELF-RENEWAL (copying)

specialized cell

e.g. muscle cell, nerve cell DIFFERENTIATION

(specializing)

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Types of stem cell:

1) Embryonic stem cells

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Embryonic stem (ES) cells:

Where we find them

blastocyst

outer layer of cells

= ‘trophectoderm’

cells inside = ‘inner cell mass’

embryonic stem cells taken from the inner cell mass

culture in the lab to grow more cells

fluid with nutrients

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Embryonic stem (ES) cells:

What they can do

embryonic stem cells

PLURIPOTENT

all possible types of specialized cells differentiation

(6)

neurons

grow under conditions B

Embryonic stem (ES) cells:

Challenges

embryonic stem cells

skin

grow under conditions A

blood

grow under con

ditions C

liver

grow und

er cond

itions D

?

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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

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Types of stem cell:

2) Tissue stem cells

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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

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Tissue stem cells:

Where we find them

muscles

skin

surface of the eye brain

breast

intestines (gut)

bone marrow testicles

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Tissue stem cells:

What they can do

MULTIPOTENT

blood stem cell

found in bone marrow

differentiation

only specialized types of blood cell:

red blood cells, white blood cells, platelets

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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.

Sviluppo delle cellule staminali ematopoietiche

Stem Cells Progenitori Multipotenti

Progenitori ristretti

Cellule mature

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Wnt Signaling Pathway

Fodde, R et al., Nat Rev Cancer (2001) 1:57-67

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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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(16)

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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

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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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Evoluzione clonale Clonal evolution

Cellule staminali del cancro Cancer stem cells

Modelli di eterogeneità tumorale

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Evoluzione clonale

Clonal evolution Cellule staminali del cancro Cancer stem cells

(21)

• 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

(22)

(23)

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

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Self-renewal Assay in NOD/SCID Mice

For solid tumors: surgical orthotopic implantation (SOI)

FACS Cell Sorter Solid Tumor Single Cell

Suspension CD24 Expression

CD44 Expression

Mince (small pieces)

Surgical Implantation

100 cellule cd44+/cd24- provocano tumore, mentre 50.000 cellule con fenotipi diversi non hanno nessun effetto

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Breast Cancer Stem Cells: CD44

⁺

CD24

^low

Lin

^-

B38.1

⁺

ESA

⁺

CD44 and CD24 – adhesion molecules

B38.1 – breast/ovarian cancer-specific marker ESA – epithelial specific antigen

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Stem Cells in the Nervous System

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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.

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Le CSCs del cervello sono state identificate con trapianto intracraniale di cellule CD133⁺ nel cervello di topi SCID adulti

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

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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

•La capacità di differenziarsi in qualsiasi tipo cellulare NON è una caratteristica PECULIARE delle CSC

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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

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Quali cellule nella gerarchia sono Cancer stem cells?

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Riscostituzione in vivo

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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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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).

Pathways coinvolti nel self-renewal che sono deregolati nelle CSCs

(40)

La presenza delle CSCs potrebbe spiegare il fatto che le terapie convenzionali spesso falliscono

(41)

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.

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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

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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

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• 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

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Sommario: Processo Metastatico

Le cellule metastatiche

sono cellule staminali cancerose

migranti????

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mCSC = Cellule staminali cancerose metastatche

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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.

(48)

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+

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)

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Types of stem cell:

3)Induced pluripotent (iPS)

stem cells

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Induced pluripotent stem cells (iPS cells)

cell from the body

‘genetic reprogramming’

= add certain genes to the cell

induced pluripotent stem (iPS) cell behaves like an embryonic stem cell

Advantage: no need for embryos!

all possible types of specialized cells culture iPS cells in the lab

differentiation

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Induced pluripotent stem cells (iPS cells)

cell from the body (skin)

genetic reprogramming

pluripotent stem cell (iPS)

differentiation

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Nuove strategie teraupetiche

Anticorpi o vaccini contro marker di superficie specifici Colpire i pathway tipici delle CSC ( WnT, TGF-brta,

Notch…)

Terapia mirata al paziente

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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