Utente:Stefaniacar1/Cellule staminali emopoietiche

• 
  Rappresentazione dell'emopoiesi negli umani

Le cellule staminali emopoietiche o ematopoietiche (HSC) sono le cellule staminali che danno origine ad altre cellule del sangue, dette anche ematiche. Tale processo è noto come emopoiesi e avviene all’interno del midollo osseo rosso, ovvero nel nucleo della maggior parte delle ossa. Durante le fasi dello sviluppo embrionale, il midollo osseo rosso viene ricavato dallo strato di tessuto embrionale chiamato mesoderma.

L’emopoiesi è un processo attraverso cui vengono prodotte le cellule mature del sangue che deve bilanciare da un lato l’esigenza di produrre enormi quantità di cellule sanguigne - si pensi che in media una persona produce più di 500 miliardi di cellule sanguigne al giorno - con la necessità di dover regolare il numero di ciascuna tipologia di cellula ematica in circolazione. Nei vertebrati, l’emopoiesi avviene maggiormente nel midollo osseo che viene ricavato da un numero limitato di cellule staminali emopoietiche che sono pluripotenti e in grado di rinnovarsi.

Le cellule staminali emopoietiche danno origine a diverse tipologie di cellule sanguigne che si dividono in cellule della linea mieloide e cellule della linea linfoide. Entrambe le linee cellulari sono coinvolte nella produzione delle cellule dendritiche. Le cellule della linea mieloide includono monociti, macrofagi, neutrofili, basofili, eosinofili, eritrociti e megacariociti fino ad arrivare alle piastrine. Mentre le cellule della linea linfoide includono i linfociti T, i linfociti B, le cellule NK (Natural Killer) e le cellule linfoidi innate. La definizione di cellula staminale emopoietica è stata elaborata a partire dal 1961, quando le cellule staminali emopoietiche sono state scoperte per la prima volta. Il tessuto emopoietico contiene sia cellule con potenziale replicativo a lungo termine che quelle con potenziale replicativo a breve termine, e cellule progenitrici impegnate ti tipo pluripotente, oligopotente e unipotente. Le cellule staminali emopoietiche costituiscono 1:10.000 cellule nel tessuto mieloide.

I trapianti delle cellule staminali embrionali vengono utilizzati per la cura contro il cancro e altre malattie che colpiscono il sistema immunitario.

Struttura

Le cellule staminali emopoietiche sono cellule rotonde e non aderenti con un nucleo tondeggiante e un basso rapporto nucleo/citoplasma. La loro forma ricorda molto quella dei linfociti.

Collocazione

Le cellule staminali emopoietiche si trovano all’interno del midollo osseo degli adulti, soprattutto nel bacino, nel femore e nello sterno. Si trovano anche all’interno del sangue del cordone ombelicale e in piccole quantità nel sangue periferico (sangue venoso).

 Le cellule staminali e progenitrici possono essere prelevate dal bacino, a livello della cresta iliaca, con ago e siringa. Le cellule possono essere prelevate allo stato liquido (in modo da ottenere uno striscio per poter esaminare la morfologia della cellula) oppure mediante la Core-Biopsy (agobiopsia o agoaspirato) per preservare l’architettura cellulare e la loro relazione tra le cellule stesse e con l’osso.

Sottotipi

Un’ Unità formante colonie (CFU) è un sottotipo di cellula staminale emopoietica (da non confondere con l’Unità di microbi che formano colonie che è un’unità di conteggio cellulare.) Ci sono diversi sottotipi di cellule staminali emopoietiche formanti colonie:

• Unità formante colonie – granulociti – eritrociti – manociti – megacariociti (CFU – GEMM)
• Unità formante colonie – linfociti (CFU-L)
• Unità formante colonie – eritrociti (CFU-E)
• Unità formante colonie – granulociti – macrofagi (CFU-GM)
• Unità formante colonie – megacariociti (CFU-Meg)
• Unità formante colonie – basofili (CFU-B)
• Unità formante colonie – eosinofili (CFU-Eos)

Le CFU sopraindicate sono tutte basate sul lignaggio. Un’altra CFU è l’unità milza formante colonie (CFU-S), base di una formazione di colonie clonali in vivo che dipende dalla capacità delle cellule del midollo osseo infuse di dare origine a cloni di cellule emopoietiche in maturazione nelle milze dei topi irradiati dopo 8-12 giorni. È stata ampiamente utilizzata nei primi studi, ma adesso viene presa in considerazione maggiormente per la misurazione di cellule progenitrici più mature o quelle che amplificano il transito piuttosto che le cellule staminali.

Isolamento delle cellule staminali

Ulteriori informazioni: tecniche per isolare le cellule staminali

Dato che le cellule staminali non possono essere considerate come popolazione pura, non è possibile identificarle al microscopio. Le cellule staminali emopoietiche possono essere identificate o isolate attraverso la tecnica della citometria a flusso dove la combinazione di diversi marcatori di superficie cellulare (in particolare il CD34) viene utilizzata per separare le rare cellule staminali emopoietiche dalle cellule staminali circostanti. Le cellule staminali emopoietiche mancano di espressione di marcatori delle cellule del sangue maturo e sono per questo chiamate Lin-. La mancata espressione di marcatori di lignaggio viene utilizzata in combinazione con il rilevamento di diversi marcatori di superficie cellulare positivi per isolare le cellule staminali emopoietiche. Inoltre, le cellule staminali emopoietiche sono caratterizzate da una piccola dimensione e dalla bassa colorazione con coloranti vitali come la rodamina 123 (rodamina) o Hoechst 33342 (popolazione laterale).

Funzioni

Diagram of cells that arise from Hematopoetic stem cells during the process of hematopoiesis.

Emopoiesi

Le cellule staminali ematopoietiche o emopoietiche sono fondamentali nel processo di produzione delle cellule del sangue, ovvero l’emopoiesi. Le cellule emopoietiche possono rifornire tutti i tipi di cellule del sangue (ossia sono “multipotenti”) e possono auto-rinnovarsi. Alcune cellule staminali emopoietiche sono in grado di espandersi e generare un numero elevato di cellule staminali emopoietiche figlie; tale fenomeno viene sfruttato nel trapianto di midollo osseo, in cui un piccolo numero di cellule emopoietiche ricostituisce il sistema emopoietico. Tale processo indica che, in seguito al trapianto del midollo osseo, deve verificarsi una divisione simmetrica delle cellule con la conseguente formazione di due cellule figlie emopoietiche.

L’autorinnovamento delle cellule staminali emopoietiche, invece, si ritiene che avvenga all’interno del midollo osseo, più precisamente nella nicchia staminale, ed è ragionevole supporre che alcuni dei segnali che giungono alla nicchia abbiano un ruolo fondamentale nel processo di autorinnovamento. Le particolari condizioni ambientali e molecolari che permettono l’auto-rinnovamento delle cellule emopoietiche destano grande interesse dal momento che comprendere a fondo la capacità che hanno le cellule emopoietiche di rigenerarsi, permetterebbe alla fine la produzione di estese popolazioni di CSE in vitro da utilizzare a scopo terapeutico.

Quiescenza

Le cellule staminali emopoietiche, come tutte le cellule staminali adulte, sono caratterizzate da uno stato di quiescenza o di arresto della crescita reversibile. L’alterato metabolismo delle cellule staminali emopoietiche quiescenti permette alle cellule di sopravvivere nell’ambiente ipossico del midollo osseo per lunghi periodi di tempo. A seguito di un danno o della morte cellulare, le cellule staminali emopoietiche cessano di essere quiescenti e ricominciano a dividersi attivamente. La transizione dalla dormienza alla propagazione è regolata dalle vie di trasduzione del segnale  MEK/ERK e PI3K/AKT/mTOR . La disregolazione di tale transizione può comportare l’esaurimento della cellula staminale o la progressiva perdita di cellule staminali emopoietiche attive nel sistema circolatorio.

Mobilità

Le cellule staminali emopoietiche sono in grado, rispetto alle altre cellule immature del sangue, di oltrepassare la barriera del midollo osseo e, quindi, possono così muoversi nel sangue partendo dal midollo osseo e spostandosi da un osso all’altro. Se si stabiliscono nel timo, potrebbero evolvere nei linfociti T. Nel caso di feti o di altre emopoiesi extramidollari, le cellule staminali emopoietiche potrebbero anche stabilirsi nel fegato o nella milza e svilupparsi.

Questo permette a tali cellule di essere raccolte direttamente dal sangue.

Danni al DNA con l'invecchiamento

Le rotture del filamento di DNA si accumulano nelle cellule staminali emopoietiche a lungo termine durante l’invecchiamento. Tale accumulo si associa ad un’ampia attenuazione delle vie di riparazione e risposta del DNA che dipendono dalla quiescenza delle CSE. Il pathway “Non-homologous end joining” (NHEJ), o “giunzione delle estremità non omologhe”, ripara le rotture a doppio filamento all’interno del DNA; si definiscono “estremità non omologhe” in quanto le estremità di rottura sono direttamente collegate senza necessitare di un modello omologo. Il pathway NHEJ dipende da varie proteine tra cui la DNA polimerasi, la DNA ligasi IV, e il fattore 1 NHEJ (NHEJ1, anche noto come Cernunnos o XLF in inglese).

La DNA ligasi IV svolge un ruolo altamente specifico nella riparazione delle rotture del doppio filamento dovute al pathway NHEJ. La carenza di tale proteina nel topo provoca una perdita progressiva di cellule staminali emopoietiche durante l’invecchiamento. La carenza di ligasi nelle cellule staminali pluripotenti comporta l’aumento di rotture del doppio filamento del DNA e una maggiore apoptosi.

Nei topi mutanti della DNA polimerasi, lo sviluppo delle cellule emopoietiche risulta difettoso in diverse popolazioni di cellule periferiche e del midollo osseo con una diminuzione di circa il 40% del numero di cellule del midollo osseo che include diverse linee ematopoietiche. Inoltre, anche il potenziale di espansione delle cellule progenitrici emopoietiche è ridotto. Queste caratteristiche sono correlate con la ridotta capacità di riparare le rotture a doppio filamento nel tessuto ematopoietico.

La carenza della proteina NHEJ1 nei topi porta all’invecchiamento prematuro delle cellule staminali emopoietiche come indicato da diverse linee di evidenza, inclusa l’evidenza che il ripopolamento a lungo termine è difettoso e peggiora nel tempo. Utilizzando un modello di cellule staminali pluripotenti indotte umane di deficit di NHEJ1, è stato dimostrato che tale proteina ha un ruolo fondamentale nel promuovere la sopravvivenza dei progenitori emopoietici primitivi. Queste cellule carenti della proteina NHEJ1 possiedono una scarsa capacità di riparazione mediata da NHEJ1 che risulta apparentemente incapace di far fronte ai danni al DNA indotti da stress fisiologico, metabolismo normale e radiazioni ionizzanti.

La sensibilità delle cellule staminali emopoietiche al deficit della ligasi IV, della DNA polimerasi e della proteina NHEJ1, suggerisce che il pathway NHEJ è un fattore determinante nella capacità delle cellule staminali di mantenersi contro lo stress fisiologico nel corso del tempo. Rossi et al. hanno scoperto che il danno endogeno al DNA aumenta con l’età anche nelle cellule staminali emopoietiche wild type ed inoltre hanno suggerito che l’accumulo di danno al DNA può costituire un importante meccanismo fisiologico nell’ invecchiamento delle cellule staminali.

Significato clinico

Trapianto

Voce principale: Trapianto di cellule staminali emopoietiche

Il trapianto di cellule staminali emopoietiche (dall’inglese Hematopoietic stem cell transplantation (HSCT) è il trapianto di cellule staminali emopoietiche multipotenti, solitamente derivate dal midollo osseo, dal sangue periferico o dal cordone ombelicale. Può essere autologo (vengono utilizzate le cellule staminali del paziente), allogenico (le cellule staminali provengono da un donatore) o singenico (da un gemello identico omozigote).

È una procedura medica utilizzata in ematologia ed oncologia, quasi sempre per pazienti affetti da malattie del sangue o del midollo osseo quali mieloma multiplo e leucemia. In questi casi, il sistema immunitario del ricevente viene di solito distrutto con radioterapia o chemioterapia prima del trapianto.  Infezioni e la malattia del trapianto contro l'ospite (Graft versus Host Disease, GvHD) sono le principali complicanze dell'HSCT allogenico.

Per raccogliere le cellule staminali dal sangue periferico circolante, ai donatori di sangue viene iniettata una citochina, come il fattore stimolante le colonie granulocitarie (G-CSF), che induce le cellule a lasciare il midollo osseo e circolare nei vasi sanguigni. Nell'embriologia dei mammiferi, le prime cellule staminali emopoietiche definitive vengono rilevate nell'AGM ( aorta-gonade-mesonefro ), e poi espanse nel fegato fetale prima di colonizzare il midollo osseo prima della nascita.

Il trapianto di cellule staminali emopoietiche rimane una procedura pericolosa con molte possibili complicazioni; è riservato ai pazienti con malattie potenzialmente letali. Poiché la sopravvivenza dopo la procedura è aumentata, il suo utilizzo si è espanso oltre il cancro alle malattie autoimmuni e alle displasie scheletriche ereditarie; in particolare osteopetrosi infantile maligna e mucopolisaccaridosi.

Ricerca

Comportamento nella coltura

L’analisi CAFC (cobblestone area-forming cell) è un’analisi alternativa basata su colture cellulari. Quando viene placcato su una coltura confluente di strato di alimentazione stromale , una frazione di cellule staminali emopoietiche si insinua tra gli spazi vuoti (anche se le cellule stromali si toccano) e alla fine si depositano tra le cellule stromali e il substrato (qui la superficie del piatto) o intrappolate nei processi cellulari tra le cellule stromali. Emperipolesi è il fenomeno in vivo in cui una cellula è completamente inghiottita in un'altra (ad esempio i timociti nelle cellule infermiere timiche ); d'altra parte, quando in vitro , le cellule del lignaggio linfoide si insinuano al di sotto delle cellule simili a quelle infermiere , il processo è chiamato pseudoemperipolesi . Questo fenomeno simile è più comunemente noto nel campo delle HSC dalla terminologia delle colture cellulari cobble stone area-forming cells (CAFC) , il che significa che le aree o i gruppi di cellule appaiono come un ciottolo opaco sotto il microscopio a contrasto di fase, rispetto alle altre cellule staminali emopoietiche , che sono rifrangenti. Ciò accade perché le cellule che fluttuano liberamente sopra le cellule stromali sono sferiche e quindi rifrangenti. Tuttavia, le cellule che strisciano sotto le cellule stromali sono appiattite e, quindi, non rifrangenti. Il meccanismo della pseudoemperipolesi sta emergendo solo di recente. Può essere mediato dall'interazione attraverso CXCR4 (CD184), il recettore per le chemochine CXC (ad esempio, SDF1 ) e le integrine α4β1 .

Cinetica di ripopolamento

Le cellule staminali emopoietiche (HSC) non possono essere facilmente osservate direttamente e, pertanto, i loro comportamenti devono essere dedotti indirettamente. Gli studi clonali sono probabilmente la tecnica più vicina per studi in vivo su cellule singole di HSC. Qui vengono utilizzati sofisticati metodi sperimentali e statistici per accertare che, con un'alta probabilità, una singola HSC sia contenuta in un trapianto somministrato a un ospite irradiato in modo letale. L'espansione clonale di questa cellula staminale può quindi essere osservata nel tempo monitorando la percentuale di cellule donatrici nel sangue mentre l'ospite viene ricostituito. La serie temporale risultante è definita come la cinetica di ripopolamento dell'HSC.

La cinetica di ricostituzione è molto eterogenea. Tuttavia, utilizzando dinamiche simboliche , si può dimostrare che rientrano in un numero limitato di classi. Per dimostrarlo, diverse centinaia di cinetiche sperimentali di ripopolamento da Thy-1 lo SCA-1 + lin - c-kit + HSC clonale sono state tradotte in sequenze simboliche assegnando i simboli "+", "-", "~" ogni volta che due misurazioni successive della percentuale di cellule donatrici hanno rispettivamente una pendenza positiva, negativa o invariata. Utilizzando la distanza di Hamming , i modelli di ripopolamento sono stati sottoposti ad analisi a grappolo che ha prodotto 16 gruppi distinti di cinetica. Per completare la dimostrazione empirica, è stato utilizzato l' approccio aggiuntivo di Laplace per determinare che la probabilità di trovare una cinetica non contenuta in questi 16 gruppi è molto piccola. Per corollario, questo risultato mostra che il compartimento delle cellule staminali emopoietiche è anche eterogeneo in base a criteri dinamici.

Inizialmente si riteneva che tutte le cellule staminali emopoietiche fossero simili nelle loro capacità di auto-rinnovamento e differenziazione. Questa visione è stata contestata per la prima volta nel 2002 dalla scoperta del gruppo Muller-Sieburg a San Diego, che ha illustrato che cellule staminali diverse possono mostrare modelli di ripopolamento distinti che sono secondo l’epigenetica proprietà intrinseche predeterminate di Thy-1 lo Sca-1 + lin - c- clonale kit + HSC. I risultati di questi studi clonali hanno portato alla nozione di bias di lignaggio . Utilizzando il rapporto tra le cellule linfoidi (L) e mieloidi (M) nel sangue come marker quantitativo, il compartimento delle cellule staminali può essere suddiviso in tre categorie di HSC. Le cellule staminali emopoietiche bilanciate (Bala) ripopolano i globuli bianchi periferici nello stesso rapporto tra cellule mieloidi e linfoidi come visto nei topi non manipolati (in media circa il 15% di cellule mieloidi e l'85% di cellule linfoidi, o 3 ≤ ρ ≤ 10). Le cellule staminali emopoietiche a polarizzazione mieloide (My-bi) danno origine a pochissimi linfociti con rapporti 0 <ρ <3, mentre le cellule staminali emopoietiche a polarizzazione linfoide (Ly-bi) generano pochissime cellule mieloidi, che si traducono in rapporti -mieloidi di ρ> 10. Tutti e tre i tipi sono tipi normali di HSC e non rappresentano stadi di differenziazione. Piuttosto, sono tre classi di HSC, ciascuna con un programma di differenziazione fissato secondo l’epigenetica. Questi studi hanno anche dimostrato che il bias del lignaggio non è regolato in modo stocastico o dipendente dalle differenze nell'influenza ambientale. My-bi HSC si auto-rinnova più a lungo rispetto a quelle bilanciate o Ly-bi HSC. Il bias mieloide deriva da una ridotta reattività all'interleuchina 7 della linfopoetina (IL-7).

Successivamente, altri gruppi hanno confermato ed evidenziato i risultati originali. Ad esempio, il gruppo Eaves ha confermato nel 2007 che la cinetica di ripopolamento, la capacità di auto-rinnovamento a lungo termine e My-bi e Ly-bi sono proprietà HSC intrinseche stabilmente ereditate. Nel 2010, il gruppo Goodell ha fornito ulteriori approfondimenti sulle basi molecolari del bias di lignaggio nella popolazione laterale (SP) SCA-1 + lin - c-kit + HSC. Come precedentemente mostrato per la segnalazione di IL-7, è stato riscontrato che un membro della famiglia dei fattori di crescita trasformanti (TGF-beta) induce e inibisce la proliferazione rispettivamente di My-bi e Ly-bi HSC.

Etimologia

Dal greco haimato- che unisce la forma haima “sangue” la forma latinizzata della parola greca poietikos “capacità di fare, creativo, produttivo” da poiein “fare, creare”.  

[[Categoria:Cellula staminale]] [[Categoria:Cellule del sangue]]