Cellule staminali neurali: costruire il cervello e, forse, ripararlo

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1 Cellule staminali neurali: costruire il cervello e, forse, ripararlo Silvia Nicolis Dipartimento di Biotecnologie e Bioscienze, Università di Milano-Bicocca

2 Il sistema nervoso centrale

3 Il sistema nervoso è costituito di neuroni e glia

4 Esistono moltissimi tipi di neuroni diversi Ippocampo Corteccia cerebrale Cervelletto Esistono malattie che colpiscono specifici tipi di neuroni Midollo spinale

5 Il cervello non rigenera: i neuroni persi (per malattia, o vecchiaia) non vengono (normalmente..) rimpiazzati. Alzheimer prion Pick s Parkinson s Machado (ataxin 3)

6 L interesse per le cellule staminali neurali nasce dall ipotesi di poter utilizzare queste cellule per riparare i danni del cervello e del tessuto nervoso.

7 Neuroni e glia (di ogni tipo) sono prodotti da cellule staminali neurali

8 Cellule Staminali Neurali NEURONI ASTROCITI OLIGODENDROCITI SELF- RENEWAL una cellula staminale può produrre molte cellule staminali uguali a se stessa DIFFERENZIAMENTO Una cellula staminale puo differenziare in tipi cellulari altamente specializzati

9 Dove si trovano le cellule staminali neurali?

10 Il sistema nervoso dell embrione in via di sviluppo È inizialmente un tubo neurale, che progressivamente cresce e si diversifica in regioni distinte

11 Il sistema nervoso dell embrione in via di sviluppo contiene cellule staminali neurali, che progressivamente generano i neuroni e la glia Cervello embrionale in sezione: zona ventricolare Neurone tempo Zona dei neuroni (differenziati, non si dividono) Cellula staminale neurale marcata (virus GFP) zona ventricolare (cellule che si dividono)

12 Lo sviluppo embrionale delle cellule staminali neurali costruisce il cervello in successive fasi specifiche 1. Fase di espansione Le cellule, ancora indifferenziate, aumentano di numero 2. Fase di produzione dei neuroni 3. Fase di produzione della glia Parete del tubo neurale Cellule staminali Temple S.et al. (2001), Nature 414, 112

13 Nell embrione, le cellule staminali neurali ricevono istruzioni-segnali molecolari, che ne specificano il destino Segnale 1 Tubo neurale Segnale 2 Neuroni dorsali (interneuroni) Neuroni ventrali (neuroni motori)

14 Nell embrione, le cellule staminali neurali ricevono istruzioni-segnali molecolari, che ne specificano il destino Segnali: FGF-8 Shh Nurr-1 recettore Cellule staminali Del tubo neurale Neuroni produttori di DOPAMINA nel mesencefalo La morte di questi neuroni nel cervello adulto causa la malattia di Parkinson Kim J.-H. et al. (2002), Nature 418, 50

15 Nuovi neuroni vengono prodotti anche nel cervello adulto in numeri limitati, e in regioni specifiche: Ippocampo Ventricolo laterale uomo topo

16 Cellule staminali neurali si moltiplicano e producono nuovi neuroni in alcune regioni del cervello adulto ippocampo

17 I nuovi neuroni nel cervello adulto sono prodotti da cellule staminali neurali adulte Ippocampo GFAP+ Nestin+ GFAP + precursor- derived neurons Ventricolo laterale Doetsch F., 2003 Fukuda S. et al., 2003 Kempermann G. et al., 2004

18 Ippocampo: connesso con la iniziale formazione della memoria La produzione di nuovi neuroni da parte delle cellule staminali nell ippocampo adulto appare richiesta per aspetti della memoria - consolidamento-trasferimento alla corteccia - pattern separation Deng W, Aimone JB and Gage FH Nat. Rev. Neurosci. 11:339, 2010

19 Le cellule staminali neurali adulte residenti possono essere stimolate a produrre nuovi neuroni persi a seguito di danni Ischemia (Interruzione del flusso sanguigno) (in topo) Infusione nel cervello (spazio ventricolare) di FGF-2 + EGF (molecole segnale attive durante lo sviluppo embrionale) Morte di neuroni ippocampali CA1 Moltiplicazione di cellule staminali della zona periventricolare Migrazione al sito del danno Rigenerazione limitata dei neuroni persi (di tipo NON normalmente prodotto nell adulto!) Parziale recupero funzionale Nakatomi et al. (2002) Cell 110, 429

20 Favaro R et al., Nat. Neurosci Cellule staminali neurali adulte dell ippocampo, perse in un modello animale di malattia genetica, possono essere recuperate somministrando molecole-segnale appropriate Mutazione nel gene Sox2 Somministrazione farmaco che mima l azione di Shh (topo) normale Perdita cellule staminali Perdita molecola-segnale Shh Recupero (parziale) cellule staminali mutante Mutante + farmaco Difetto ippocampale (topo;;uomo) Recupero (parziale) ippocampo Cellule staminali ippocampo Recupero

21 Le cellule staminali neurali possono essere coltivate in vitro

22 Cellule staminali neurali dal cervello in via di sviluppo possono essere coltivate in vitro Cervello embrionale in sezione: zona ventricolare Neuroni, astroglia, Coltura in vitro neurosfera Espansione differenziamento oligodendroglia Self-renewal GRANDI NUMERI di cellule staminali possono essere ottenuti in coltura, partendo da poche cellule di cervello embrionale

23 Cellule staminali dal cervello adulto possono essere coltivate in vitro (topo;; uomo), ma sono difficili da ottenere nell uomo OB RMS DG Coltura Neuroni, glia

24 Le cellule staminali embrionali (ES) generano tutti i tipi cellulari, inclusi i neuroni, in vivo e in vitro: sono pluripotenti Topo chimerico (le cellule ES contribuiscono a TUTTI i tessuti) differenziamento in vivo ES Embrione Precoce (blastocisti) Cultura cellule Massa cellulare interna blastocisti Iniezione in blastocisti Cellule ES in vitro MOLTIPLICAZIONE in vitro nello stato pluripotente Differenziazione in vitro GRANDI NUMERI di cellule ES Possono essere ottenuti per moltiplicazione in vitro, e differenziati a neuroni Sangue Neuroni Glia Muscolo Oociti Blastocisti?

25 Cellule pluripotenti simili a ES possono essere ottenute mediante riprogrammazione di cellule differenziate Cellule ips (induced pluripotent Stem Cells) da topo e uomo Cellule ips self, riprogrammabili da cellule del paziente stesso

26 Riprogrammazione di cellule del paziente: 1) grandi numeri di cellule 2) si supera il problema dell incompatibilità immunologica fra individui diversi (donatore e paziente) MA: Se il paziente soffre di una malattia ereditaria, le cellule riprogrammate mantengono il difetto.

27 In cellule ES e ips, geni portatori di mutazionimalattia possono essere riparati, mediante sostituzione con una copia sana Hanna J et al., Science 2007 Gene malato Gene sano (copia) - derivazione cellule ips - cura genetica - differenziazione in vitro - trapianto Gene sano sostituito al gene malato Quindi, si possono ottenere cellule staminali curate del paziente, per un trapianto.

28 Le cellule ES possono essere programmate a produrre neuroni specifici, utilizzando le stesse istruzioni molecolari attive nell embrione In vivo: Proteina Nurr-1 Neuroni produttori di Dopamina (TH + ) +FGF8 +Shh FGF-8, Shh (proteinesegnale) (sviluppo embrionale) +Transgeneesprimente Nurr-1 In vitro cellule ES Differenziazione in vitro Cellule staminali mesencefaliche Neuroni produttori di Dopamina (TH+) TRAPIANTO in modello di topo di malattia di Parkinson RECUPERO funzionale parziale Kim J.-H. et al. (2002), Nature 418, 50

29 Neuroni dopaminergici ottenuti in coltura da cellule ES di topo, trapiantati in un modello (topo) di malattia di Parkinson, attecchiscono e curano, in parte, la malattia +FGF8 +Shh +Transgeneexprimente Nurr-1 In vitro cellule ES Differenziazione in vitro Cellule staminali mesencefaliche Neuroni produttori di Dopamina In vitro In vivo TRAPIANTO nel cervello in modello di topo di malattia di Parkinson (in striato) Le cellule attecchiscono nel cervello ospite e producono Dopamina RECUPERO funzionale parziale

30 Cellule differenziate (fibroblasti) possono anche essere riprogrammate direttamente a neuroni Vierbuchen T et al., Nature 2010

31 Cellule non neurali possono essere riprogrammate a neuroni di tipo specifico in vivo, tramite fattori trascrizionali normalmente attivi durante lo sviluppo Amamoto R and Arlotta P, Science 2014, 343:

32 Cellule non neurali possono essere riprogrammate a neuroni di tipo specifico in vivo, tramite fattori trascrizionali normalmente attivi durante lo sviluppo Astrociti, periciti, epatociti Neuroni di tipo specifico Amamoto R and Arlotta P, Science 2014, 343:

33 Cellule non neurali possono essere riprogrammate a neuroni di tipo specifico in vivo, tramite fattori trascrizionali normalmente attivi durante lo sviluppo Amamoto R and Arlotta P, Science 2014, 343:

34 Cellule staminali come modello Una mutazione genica, che porta a malattia dei neuroni (SLA), agisce in realtà tramite la glia

35 Ipotesi : la glia SOD39A (mutata) manda segnali tossici ai neuroni. Possiamo identificarli, e progettare farmaci che li neutralizzino? La glia normale, trapiantata in topi mutanti SOD39A, protegge i neuroni dalla malattia. Ipotesi: segnali di neuroprotezione? Possiamo identificarli, e progettare farmaci che ne mimino l azione?

36 Le cellule staminali neurali e i neuroni ottenuti in vitro possono curare la perdita di neuroni dovuta a malattia? Strategie di trapianto Rimpiazzare neuroni persi con neuroni ottenuti in vitro Trapiantare cellule staminali come sorgente di farmaci (neuroprotezione, anti-infiammazione) Quali sono le cellule giuste da trapiantare?.

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