Le cellule che possono differenziarsi in una varietà di tipi di cellule, note come cellule staminali, sono al centro di uno dei campi più eccitanti della scienza oggi. I biologi delle cellule staminali stanno lavorando per comprendere i meccanismi di base che regolano il funzionamento di queste cellule. Questi ricercatori sono anche interessati a sfruttare il notevole potenziale delle cellule staminali per il trattamento delle malattie umane.
Qui, JoVE presenta un’introduzione all’accattivante mondo della biologia delle cellule staminali. Iniziamo con una cronologia di studi di riferimento, dalle prime prove sperimentali per le cellule staminali ematopoietiche nel 1960, a scoperte più recenti come le cellule staminali pluripotenti indotte. Successivamente, vengono introdotte domande chiave sulla biologia delle cellule staminali, ad esempio: in che modo queste cellule mantengono la loro capacità unica di subire l’auto-rinnovamento? Questo è seguito da una discussione su alcuni metodi importanti utilizzati per rispondere a queste domande. Infine, vengono presentati diversi esperimenti per dimostrare l’uso delle cellule staminali nella medicina rigenerativa.
Come suggerisce il nome, le cellule staminali sono i precursori da cui molti diversi tipi di cellule “staminali”. Sono caratterizzati dalla loro potenza, o capacità di differenziarsi in cellule da tutti e tre gli strati germinali, così come la loro rinnovabilità, o capacità di generare più cellule staminali. Nella speranza di far progredire i campi della biologia dello sviluppo e della medicina rigenerativa, i ricercatori di cellule staminali stanno lavorando per capire come queste cellule uniche compiono un’impresa così importante.
Questo video copre le principali scoperte nel campo della biologia delle cellule staminali, le domande chiave poste dagli scienziati in questo campo, i metodi di spicco utilizzati dai ricercatori sulle cellule staminali e le applicazioni della ricerca sulle cellule staminali.
Ora che abbiamo introdotto il concetto di cellule staminali, immergiamoci nella ricca storia della ricerca sulle cellule staminali.
Nel 1960, i dottori Ernest McCulloch e James Till scoprirono alcune delle prime prove definitive dell’esistenza di cellule staminali ematopoietiche nel midollo osseo dei mammiferi adulti. Queste cellule hanno la capacità di auto-rinnovarsi e sono multipotenti, il che significa che possono differenziarsi in molteplici, ma limitati, tipi di cellule, vale a dire le cellule del sangue e del sistema immunitario.
Nel 1988, Irving Weissman e colleghi hanno perfezionato un metodo per la purificazione delle cellule staminali ematopoietiche dal midollo osseo del topo.
Nel 1981, la professoressa Gail Martin ha coniato il termine “cellula staminale embrionale”. A differenza delle cellule staminali ematopoietiche, le cellule staminali embrionali sono pluripotenti, avendo la capacità di differenziarsi in tutti i tipi di cellule del corpo. Lei e gli scienziati Martin Evans e Matthew Kaufman, contemporaneamente, ma separatamente, hanno sviluppato metodi per estrarre la massa cellulare interna dalle blastocisti di topo e colturarle in vitro come cellule staminali.
Nel 1998, oltre dieci anni dopo l’isolamento delle cellule staminali embrionali di topo, il Dr. James Thomson ha stabilito con successo le prime linee di cellule staminali embrionali umane.
Nel 2006, un importante passo avanti si è verificato con l’avvento delle cellule staminali pluripotenti indotte, come ideato dal Dr. Shinya Yamanaka. Basandosi sul lavoro di John Gurdon, Yamanaka ha sviluppato un metodo per riprogrammare le cellule differenziate in uno stato pluripotente utilizzando il retrovirus per indurre l’espressione di un piccolo insieme di fattori di trascrizione ora noti come “fattori Yamanaka”. Le cellule risultanti sono state chiamate “cellule staminali pluripotenti indotte” o “iPSC”. Questi esperimenti sono stati considerati così di fondamentale importanza che Yamanaka e Gurdon hanno ricevuto il Premio Nobel nel 2012.
Al momento, ora abbiamo modelli iPSC di diverse malattie umane e piattaforme di rigenerazione in più tessuti.
Oggi, la ricerca sulle cellule staminali è guidata da diverse domande generali.
Una delle domande più importanti è: come fanno le cellule staminali a mantenere la pluripotenza e la rinnovabilità? Ci sono due caratteristiche correlate delle cellule staminali che conferiscono queste proprietà. Il primo è l’espressione di geni specifici essenziali per la staminalità e l’auto-rinnovamento. Il secondo è la reattività delle cellule staminali ai fattori regolatori che influenzano l’espressione di questi geni.
La prossima domanda logica è: come è diretta la differenziazione delle cellule staminali? Quando una cellula staminale si sviluppa in una cellula matura, l’attivazione di specifici percorsi di differenziazione induce cambiamenti nell’espressione genica, disattivando i geni delle cellule staminali e attivando i geni specifici del tessuto, il che si traduce in una crescente specializzazione della funzione e della morfologia cellulare.
Infine, affrontiamo la questione principale che guida il finanziamento della ricerca sulle cellule staminali: le cellule staminali possono essere utilizzate per curare le malattie? La medicina rigenerativa sta affrontando questa questione in due modi: 1) ricrescendo gli organi in laboratorio e 2) fornendo cellule staminali tramite trapianto per trattare la degenerazione dei tessuti.
Ora che abbiamo presentato alcune delle domande chiave riguardanti la biologia delle cellule staminali, esaminiamo alcuni dei metodi di spicco utilizzati per affrontarle.
La tecnologia microarray può essere impiegata per scoprire quali geni conferiscono potenza e rinnovabilità nelle cellule staminali. In questa tecnica, l’RNA totale è isolato da una popolazione di cellule, che funge da istantanea dell’attuale espressione genica. In una serie di passaggi, questo mRNA viene convertito in una sonda marcata fluorescentemente e ibridato in un chip contenente trascrizioni dell’intero genoma umano. La scansione di questo chip fornisce una lettura dei relativi profili di espressione genica. Come puoi vedere, una cellula staminale esprime un insieme specifico di geni che differisce da una cellula differenziata.
Un altro test per i geni di pluripotenza coinvolge il sistema di rilevamento Oct4-GFP. Oct4 è necessario per l’auto-rinnovamento ed è rapidamente down-regolato durante la differenziazione. Pertanto, la sua espressione funge da indicatore affidabile di “stemness”. In questo esperimento, le cellule esprimono proteine fluorescenti verdi sotto il controllo del promotore Oct4. Queste cellule possono quindi essere manipolate sperimentalmente e i cambiamenti nell’espressione della GFP vengono analizzati per identificare nuovi geni o fattori solubili che modulano l’auto-rinnovamento.
Per studiare le cellule staminali in vitro,dobbiamo prima capire come farle colturare. Le cellule staminali richiedono un particolare microambiente per mantenere la staminalità. Ciò può essere ottenuto co-coltivando cellule staminali con cellule feeder, come fibroblasti embrionali di topo o MEF. I MEF secernono una miscela complessa di pluripotenza necessaria e fattori di auto-rinnovamento.
A volte, è auspicabile avere colture di cellule staminali prive di alimentatore. Il metodo principale per mantenere linee cellulari prive di alimentatore è quello di integrare i mezzi di coltura cellulare con reagenti di crescita e fattori inibitori.
La differenziazione delle cellule staminali in vitro si ottiene utilizzando diversi metodi. L’espressione genica differenziale è in ultima analisi responsabile della specializzazione delle cellule. Nel metodo in due fasi che vedete qui, le cellule staminali embrionali di topo coltivate sono innescate per un destino neuronale prima di essere ulteriormente differenziate con il mezzo di induzione del motoneurone. Questi fattori attivano specifiche vie di espressione genica, con conseguenti cambiamenti morfologici e proteomici caratteristici dei motoneuroni.
Uno dei principali svantaggi della differenziazione tradizionale in vitro è che le piastre piatte limitano la crescita 3D delle cellule. Il metodo a goccia sospesa e i metodi a microcapsula aggirano questi problemi. Nella tecnica della goccia sospesa, piccole gocce di sospensioni di cellule staminali vengono placcate sul coperchio di una capsula di Petri e coltivate a testa in giù per formare aggregati di cellule staminali note come corpi embrioidi.
Nei metodi di microincapsulazione, le cellule staminali vengono miscelate con una membrana semipermeabile biocompatibile chiamata alginato e depositate come perline in piastre di coltura cellulare. Entrambi i metodi consentono un’ulteriore differenziazione in cellule specializzate, come i neuroni dopaminergici e i cardiomiociti.
Sapere come dirigere la differenziazione è un passo importante verso l’utilizzo delle cellule staminali nella medicina rigenerativa. La terapia di trapianto di cellule staminali mira a trattare e curare le malattie degenerative riparando i tessuti danneggiati con cellule staminali. In questo esperimento, le cellule somatiche dei pazienti vengono riprogrammate in cellule iPS tramite infezione lentivirale dei fattori Yamanaka. Dal loro stato pluripotente, le cellule vengono differenziate in specifici tipi di cellule e restituite all’ospite per riparare il tessuto danneggiato.
Ora che conosci alcuni dei metodi utilizzati per studiare le cellule staminali, diamo un’occhiata a come questi metodi vengono applicati in esperimenti specifici.
In questo esperimento che utilizza un modello murino di sclerosi multipla, le cellule staminali neurali vengono iniettate per via endovenosa nei topi affetti. Le fette di cervello dei topi trattati vengono raccolte e riprese al microscopio per valutare il successo del trapianto. Le cellule derivate da cellule precursori neuronali donatrici vengono tracciate utilizzando il gene reporter LacZ. Come puoi vedere, un certo numero di cellule staminali donatrici si sono differenziate e integrate nel sistema nervoso centrale dei topi malati.
Non tutti i disturbi possono essere trattati con iniezioni sistemiche. Le lesioni della cartilagine, ad esempio, richiedono un’impalcatura specializzata per ricostruire. In questo esperimento, una miscela di cellule staminali mesenchimali e fattori della coagulazione vengono coltivati insieme per formare un coagulo. Il coagulo viene quindi inserito nella cartilagine del ginocchio danneggiata di un coniglio e lasciato integrare. Seguendo questa procedura, si può osservare il rimodellamento della cartilagine del ginocchio in un’articolazione liscia e funzionale.
A volte, i ricercatori di cellule staminali e gli ingegneri tissutali si uniscono per ricostruire interi organi. In questo esperimento, i polmoni dei primati vengono lavati per decellularizzare l’organo, lasciando dietro di sé solo componenti strutturali non cellulari. Questo polmone “fantasma” viene poi trasferito in un bioreattore, dove viene seminato con cellule staminali vascolari ed epiteliali. Per imitare ulteriormente la pressione e il comportamento che un polmone naturale sperimenta, il bioreattore fa circolare i mezzi, mantiene la pressione e i livelli di gas e gonfia i polmoni.
Hai appena visto la panoramica della biologia delle cellule staminali di JoVE. Per ricapitolare, in questo video abbiamo discusso le cellule staminali e la loro storia, i metodi di manutenzione, differenziazione e consegna e le applicazioni delle cellule staminali. Grazie per l’attenzione!
As their name implies, stem cells are the precursors from which many different cell types “stem.” They are characterized by their potency, or ability to differentiate into cells from all three germ layers, as well as their renewability, or capacity to generate more stem cells. In hopes of advancing the fields of developmental biology and regenerative medicine, stem cell researchers are working to understand how these unique cells accomplish such a major feat.
This video covers major discoveries in the field of stem cell biology, key questions asked by scientists in this field, prominent methods used by stem cell researchers, and applications of stem cell research.
Now that we’ve introduced the stem cell concept, let’s dive into the rich history of stem cell research.
In the 1960s, Drs. Ernest McCulloch and James Till discovered some of the first definitive evidence for the existence of hematopoietic stem cells in the bone marrow of adult mammals. These cells have the ability to self-renew and are multipotent, meaning that they can differentiate into multiple, but limited, types of cells-namely the cells of the blood and immune systems.
In 1988, Irving Weissman and colleagues perfected a method for purification of hematopoietic stem cells from mouse bone marrow.
In 1981, Professor Gail Martin coined the term “embryonic stem cell.” Unlike hematopoietic stem cells, embryonic stem cells are pluripotent, having the ability to differentiate into all cell types of the body. She and scientists Martin Evans and Matthew Kaufman, simultaneously, but separately, developed methods to extract the inner cell mass from mouse blastocysts and culture them in vitro as stem cells.
In 1998, over ten years after the isolation of mouse embryonic stem cells, Dr. James Thomson successfully established the first human embryonic stem cell lines.
In 2006, a major breakthrough occurred with the advent of induced pluripotent stem cells, as devised by Dr. Shinya Yamanaka. Building on the work of John Gurdon, Yamanaka developed a method to reprogram differentiated cells to a pluripotent state by using retrovirus to induce the expression of a small set of transcription factors now known as the “Yamanaka factors.” The resultant cells were named “induced pluripotent stem cells,” or “iPSCs.” These experiments were considered so fundamentally important that Yamanaka and Gurdon were awarded the Nobel Prize in 2012.
At present, we now have iPSC models of several human diseases, and regeneration platforms in multiple tissues.
Today, stem cell research is driven by several overarching questions.
One of the most important of these questions is: how do stem cells maintain pluripotency and renewability? There are two related characteristics of stem cells that confer these properties. First is the expression of specific genes essential for stemness and self-renewal. The second is the responsiveness of stem cells to regulatory factors that affect the expression of these genes.
The next logical question is: how is the differentiation of stem cells directed? As a stem cell develops into a mature cell, activation of specific differentiation pathways induces changes in gene expression, turning off stem cell genes and turning on tissue-specific genes, which results in increasing specialization of cell function and morphology.
Finally, let’s address the main question driving stem cell research funding: can stem cells be used to treat disease? Regenerative medicine is tackling this question in two ways: 1) by regrowing organs in the lab, and 2) by delivering stem cells via transplantation to treat tissue degeneration.
Now that we’ve presented some of the key questions concerning stem cell biology, let’s go over some of the prominent methods used to address them.
Microarray technology can be employed to discover which genes confer potency and renewability in stem cells. In this technique, total RNA is isolated from a population of cells, which acts as a snapshot of current gene expression. In a series of steps, this mRNA is converted to a fluorescently labeled probe and hybridized to a chip containing transcripts of the entire human genome. Scanning this chip provides a readout of relative gene expression profiles. As you can see, a stem cell expresses a specific set of genes that differs from a differentiated cell.
Another assay for pluripotency genes involves the Oct4-GFP detection system. Oct4 is required for self-renewal, and is quickly down-regulated during differentiation. Therefore, its expression acts as a reliable indicator of “stemness.” In this experiment, cells express green fluorescent protein under the control of the Oct4 promoter. These cells can then be experimentally manipulated, and changes in GFP expression are analyzed to identify new genes or soluble factors that modulate self-renewal.
In order to study stem cells in vitro, we must first understand how to culture them. Stem cells require a particular microenvironment to maintain stemness. This can be achieved by co-culturing stem cells with feeder cells, such as mouse embryonic fibroblasts, or MEFs. MEFs secrete a complex mixture of necessary pluripotency and self-renewal factors.
At times, it is desirable to have feeder-free cultures of stem cells. The main method to maintain feeder-free cell lines is to supplement cell culture media with stock reagents of growth and inhibitory factors.
Differentiating stem cells in vitro is accomplished using several methods. Differential gene expression is ultimately responsible for specialization of cells. In the two-step method you see here, cultured mouse embryonic stem cells are primed for a neuronal fate before being further differentiated with motor neuron induction medium. These factors activate specific pathways of gene expression, resulting in morphological and proteomic changes characteristic of motor neurons.
One major disadvantage of traditional in vitro differentiation is that flat plates restrict the 3D growth of cells. The hanging drop method and microcapsule methods circumvent these issues. In the hanging drop technique, small drops of stem cell suspensions are plated on the lid of a petri dish and cultured upside down to form aggregates of stem cells known as embryoid bodies.
In microencapsulation methods, stem cells are mixed with a biocompatible semipermeable membrane called alginate, and deposited as beads into cell culture plates. Both methods allow for further differentiation into specialized cells, such as dopaminergic neurons and cardiomyocytes.
Knowing how to direct differentiation is a major step towards using stem cells in regenerative medicine. Stem cell transplantation therapy aims to treat and cure degenerative diseases by repairing damaged tissues with stem cells. In this experiment, somatic cells from patients are reprogrammed into iPS cells via lentivral infection of the Yamanaka factors. From their pluripotent state, cells are differentiated into specific cell types and returned to the host to repair damaged tissue.
Now that you know some of the methods used to investigate stem cells, let’s take a look at how these methods are applied in specific experiments.
In this experiment using a mouse model of multiple sclerosis, neural stem cells are injected intravenously into affected mice. Brain slices of treated mice are collected and imaged under a microscope to assess success of the transplantation. Cells derived from donor neuronal precursor cells are tracked using the reporter gene LacZ. As you can see, a number of donor stem cells have differentiated and integrated into the central nervous system of diseased mice.
Not every ailment can be treated by systemic injections. Cartilage injuries, for example, require a specialized scaffolding to rebuild around. In this experiment, a mixture of mesenchymal stem cells and coagulation factors are cultured together to form a clot. The clot is then placed into the damaged knee cartilage of a rabbit and allowed to integrate. Following this procedure, remodeling of the knee cartilage to a smooth and functional joint can be observed.
Sometimes, stem cell researchers and tissue engineers team up to rebuild entire organs. In this experiment, primate lungs are washed to decellularize the organ, leaving behind only non-cellular structural components. This “ghost” lung is then transferred to a bioreactor, where it is seeded with vascular and epithelial stem cells. To further mimic the pressure and behavior that a natural lung experiences, the bioreactor circulates media, maintains pressure and gas levels, and inflates the lungs.
You’ve just watched JoVE’s stem cell biology overview. To recap, in this video we have discussed stem cells and their history, maintenance, differentiation and delivery methods, and stem cell applications. Thanks for watching!
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