Differenziazione delle cellule mesenchimali
Come avviene la differenziazione delle cellule mesenchimali?
Le cellule staminali mesenchimali (CSM) sono cellule staminali multipotenti in grado di effettuare un'ampia gamma di differenziazioni e possiedono attività immunosoppressiva, capacità che hanno valso un grande incremento d'uso nell'immunomodulazione e nella medicina rigenerativa.
Queste cellule sono state identificate più di 40 anni fa, da Friedenstein e collaboratori, che descrissero una popolazione di cellule derivanti dal midollo osseo (MO), aderenti, non fagocitiche, simili a dei fibroblasti e che in vitro potevano differenziarsi in ossa, cartilagine e tessuto adiposo.
Inoltre, dati controversi, hanno evidenziato che le CSM, possono dare origine ad altre cellule di origine mesodermale come i muscoli sarcomerici (cardiaco e dello scheletro), cellule endoteliali e anche a cellule senza origine mesodermale, come gli epatociti, le cellule neurali e le cellule epiteliali.
Fig. 1 Differenziazione delle cellule mesenchimali.
Dove si trovano le cellule staminali mesenchimali?
Le cellule staminali mesenchimali umane, come detto sopra, sono state per la prima volta isolate nel midollo osseo e, successivamente, sono state identificate anche in altri tessuti umani (quali periostio, tessuto connettivo muscolare, pericondrio, tessuto adiposo) e in tessuti fetali (come polmone, midollo osseo, fegato e milza). Sia il liquido amniotico che placentare sono ricchi di CSM.
In generale, le cellule staminali mesenchimali sono la frazione minore sia del midollo osseo che negli altri tessuti: è stato stimato che la frequenza di CSM nel midollo osseo sia dell'ordine di 0,001-0,01% del totale delle cellule nucleate e quindi circa 10 volte inferiore rispetto alle cellule staminali ematopoietiche.
Inoltre, è da ricordare che la presenza di CSM decresce all'avanzare dell'età, da 1/10.000 delle cellule nucleate del midollo presenti in un individuo appena nato, a 1/1.000.000 in una persona anziana di 80 anni.
Differenziazione delle cellule staminali mesenchimali
Le cellule staminali mesenchimali, in specifiche condizioni, sono in grado di differenziarsi in diversi linee di tessuti mesodermici, ectodermici ed endodermici come il grasso, le ossa, i condrociti, i muscoli, i neuroni, le cellule insulari e cellule del fegato.
Il differenziamento in un determinato fenotipo è un fenomeno complesso e altamente regolato da una serie di geni regolatori, che portano le cellule a differenziarsi in una specifica linea cellulare.
Tramite l'azione di fattori di crescita, induttori chimici e lo sviluppo di microambienti idonei è possibile ottenere un'appropriata differenziazione e crescita delle CSM.
Di seguito si propone un sintesi, a mero titolo esemplificativo e non esaustivo, dei processi di differenziamento e delle sostanze utilizzate per indurre tali fenomeni.
Differenziamento del mesoderma
Teoreticamente, la differenziazione mesodermale, per le CSM, è facilmente attuabile perché le cellule possiedono la medesima origine embrionale. Per indurre un differenziamento osteogenico, è ormai ampiamente diffuso l'utilizzo di un mix di desametasone, β-glicerofosfato e fosfato di acido ascorbico; anche PLZF e CBFA-1 sono coinvolti nell'osteogenesi.
Il differenziamento è evidenziato dall'accumularsi di calcio e dall'attività della fosfatasi alcalina.
Per stimolare un differenziamento adipogenetico, sono impiegate sostante come desametasone, isobutil-metilxantina e indometacina; anche le seguenti vie PPAR-γ2, C/EBP e il recettore retinoico C sono coinvolti nell'adipogenesi.
Per confermare il processo di differenziamento, le goccioline lipidiche nelle cellule, sono colorate tramite una soluzione di Oil Red O.
Invece, nel differenziamento condrogenico, sono coinvolti TGF-β2 e TGF-β1 e anche l'espressione di Smad3, CBP/p300 e SOX9.
Fig. 2 Differenziazione del cellule mesenchimali. Cellule osse (B), cellule del grasso (C) e cellule cartilaginee (D).
Differenziamento dell'ectoderma
Per ottenere un differenziamento neuronale, alcuni degli agenti utilizzati sono DMSO, BHA, KCL, idrocortisone. Le vie di segnalazione Notch-1 e della protein chinasi A (PKA) sono coinvolte nella differenziazione dei neuroni.
Differenziamento dell'endoderma
Nella differenziazione delle cellule β pancreatiche, nicotinamide e β-ME sono stati adoperati per l'induzione e ciò ha portato ad un elevato contenuto di mRNA di insulina-1, la sintesi di insulina e nestina.
In primo luogo, le CSM si sono differenziate in endoderma (esprimendo Sox17, Foxa2, GATA-4 e CK-19), quindi in endoderma pancreatico (PDX1, Ngn2, NeuroD, PAX4 e Glut-2) e infine in endoderma pancreatico in grado di secerne ormoni (insulina, glucagone e somatostatina).
Per quanto riguarda la differenziazione epatica, invece, sono utilizzati il fattore di crescita degli epatociti e l'oncostatina M per l'induzione; sono state così ottenute delle cellule cuboidi che esprimevano marcatori appropriati (α-fetoproteina, glucosio 6-fosfatasi, tirosina aminotransferasi e citocheratina-18) e produzione di albumina in vitro.
Nella maturazione epatica, il fenotipo meso-endodermico è regolato geneticamente attraverso la segnalazione delle citochine, inclusi TGF-β, proteina morfogenetica ossea, fattore di crescita dei fibroblasti e altre vie di segnalazione.
Azione immunomodulatoria delle cellule staminali mesenchimali
Oltre ad essere in grado di differenziarsi in diverse linee cellulari, le CSM hanno anche potenti effetti immunomodulatori, che includono l'inibizione della proliferazione e della funzione delle cellule T, delle cellule B e delle cellule natural killer.
Alla base dei meccanismi immunomodulatori mediati dalle CSM c'è un effetto antiproliferativo non specifico, che è la conseguenza dell'inibizione della ciclina D2.
È stato riportato che la prostaglandina E2, l'ossido nitrico, l'antigene-G del locus di istocompatibilità, le proteine leganti il fattore di crescita insulino-simile e le cellule presentanti l'antigene tolerogenico e l'indoleammina 2,3-diossigenasi svolgono un ruolo in questo meccanismo.
Sebbene il significato fisiologico dell'immunosoppressione non sia chiaro, il meccanismo sottostante potrebbe coinvolgere la funzione stromale. Tale meccanismo, sembra esercitare la sua influenza aumentando la sopravvivenza e il rinnovamento delle cellule staminali parenchimali.
La comprensione di questi meccanismi e dei ruoli precisi delle molecole coinvolte sarà di enorme aiuto nello sviluppo di future applicazioni cliniche, come il trapianto di cellule staminali o in applicazioni sperimentali.
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