Cellule Staminali Neurali: studio sperimentale utilizzando diversi modelli comparativi

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‘Cellule staminali neuronali: studio 
sperimentale utilizzando diversi 
modelli comparativi’ 
 
Introduzione 
 Il termine “cellula staminale neurale” fa riferimento a cellule del sistema 
nervoso centrale (SNC), dotate non solo di capacità proliferativa, ma anche di 
capacità autorigenerativa e di multipotenzialità, intesa come capacità di 
generare i differenti fenotipi cellulari neurali quali astrociti, neuroni e 
oligodendrociti. 
 A seguito della sua prima osservazione intorno alla metà del 1800 da parte 
del patologo tedesco Rudolf Virchow, che la definisce letteralmente ‘colla 
nervosa’, vengono attribuite al tessuto gliale molte delle caratteristiche 
morfologiche e funzionali che determinano il Sistema nervoso. Studi 
embriologici condotti da Wilhelm His nel 1889 offrono le basi d’osservazione 
sullo sviluppo della neocorteccia. Confermando l’origine neuroectodermica 
della Neuroglia, His propone l’esistenza di due diversi tipi cellulari durante 
l’accrescimento del tubo neurale: le cellule precursori dei neuroni situati in 
prossimità del ventricolo, zona deputata alla proliferazione delle cellule 
germinali, e una popolazione di cellule denominata spongioblasti, posizionati 
radialmente in modo da guidare la migrazione dei neuroblasti. Questi 
spongioblasti, adesso conosciuti come glia radiale, hanno il corpo cellulare 
situato vicino al ventricolo e una lunga fibra che si estende verso la superficie
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piale grazie alla quale formerà l’impalcatura per la migrazione radiale 
neuronale (Rakic, 1971, 1972).  
 L’evidenza sperimentale sull’evoluzione del tessuto gliale viene proposta 
tramite la marcatura di una serie di stadi dell’istogenesi: dallo staccamento 
degli spongioblasti dalle membrane limitanti interna e esterna, al loro 
allineamento radiale durante la migrazione nel parenchima cerebrale dove 
continuano a dividersi originando astrociti.  
 I neuroblasti, precursori dei neuroni maturi, come la neuroglia originano da 
progenitori neuroepiteliali; differenziano gradualmente durante la migrazione, 
mediata da fibre gliali, spostandosi dal tessuto di origine verso la superficie 
piale. 
 I neuroni sono cellule la cui funzione principale riguarda la trasmissione 
dell’impulso nervoso, quindi la propagazione di informazioni tramite 
segnalazione elettrica, occupando nell’encefalo circa il 10-20%. La restante 
percentuale dell’encefalo è occupata da cellule che non conducono l’impulso 
nervoso, le cellule neurogliali. Le principali funzioni a carico della neuroglia 
riguardano principalmente la formazione di un supporto adeguato, formando 
l’impalcatura necessaria per l’architettura neuronale, la protezione dei tessuti 
cerebrali e la facilitazione della conduzione elettrica a favore dei neuroni che 
essi circondano. Partecipano inoltre alla formazione della barriera 
ematoencefalica, mediante i processi terminali le cellule gliali prendono 
contatto con i vasi sanguigni che circondano il cervello avviando lo scambio di 
sostanze nutritive necessarie al tessuto cerebrale;  inoltre è risultato un 
partecipante fondamentale alla trasmissione sinaptica, regolatore chiave del 
rilascio dei neurotrasmettitori (Ndubaku et al.,2008). Tuttavia studi dettagliati
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nel corso degli anni hanno portato alla luce altri aspetti funzionali riguardanti la 
glia radiale, una linea neurogliale, in particolare la loro importante 
implicazione nei meccanismi di sviluppo del cervello come la guida della 
migrazione di neuroni nello sviluppo iniziale, inoltre è stata evidenziata un’ 
intensa attività proliferativa e la capacità di dare origine ai differenti tipi 
cellulari presenti nell’encefalo, dando vita a circa il 90% dei neuroni che 
compongono.  
 
1. Neurogenesi 
 La complessa organizzazione dell’encefalo si sviluppa a partire da un  
piccolo numero di cellule altamente plastiche, neural stem cells (NSCs),  che 
durante il corso della neurogenesi proliferando acquisiscono una loro specifica 
identità regionale e differenziano in diversi tipi cellulari (Merkle FT and Arturo 
Alvarez-Buylla, 2006) (Figura 1A). Durante lo sviluppo del SNC, le NSCs oltre 
che aumentare di numero nel corso del tempo raggiungono una disposizione 
eterogenea nello spazio, diminuendo progressivamente la propria potenza, 
ovvero la capacità di dare origine a differenti tipi cellulari.  
 Le prime fasi dello sviluppo neurale avvengono all’interno del tubo neurale 
(Figura 1B) dove si ha la formazione di un tessuto epiteliale speudo-stratificato 
disposto radialmente, caratterizzato da un particolare movimento alternato dei 
nuclei chiamato migrazione intercinetica nucleare (Sauer, 1935), nella quale 
durante il ciclo cellulare i nuclei migrano dalla zona apicale (ventricolare) alla 
zona basale (piale) per poi tornare indietro. In questo contesto la divisione 
simmetrica originerà due cellule figlie uguale tra loro (Rakic, 1995). Queste 
cellule epiteliali andranno incontro ad una serie di cambiamenti riguardanti
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l’espressione genica, alcune caratteristiche citologiche e il loro potenziale 
differenziativo. Tali cambiamenti danno luogo ai progenitori neuroepiteliali 
caratterizzati non solo dall’induzione dell’espressione della proteina dei 
filamenti intermedi nestina (Frederiksen and McKay, 1988; Lendahl et al, 
1990) e del suo antigene correlato riconosciuto dall’anticorpo RC2 (Edwards et 
al., 1990; Misson et al., 1988), ma anche per la capacità di dividersi sia in 
modo simmetrico che asimmetrico. Le cellule neuroepiteliali si dividono sulla 
superficie ventricolare, formando una zona ventricolare, ma durante l’interfase 
i loro nuclei si spostano verso la superficie piale. Inizialmente le cellule 
neuroepiteliali si dividono simmetricamente per incrementare il pool di cellule 
staminali, ma in seguito inizieranno a dividersi asimmetricamente generando 
una cellula staminale nella zona ventricolare e una cellula figlia che migrerà 
radialmente verso l’esterno (Hausbensak et al.,2004). L’accumulo di cellule 
figlie aumenta lo sviluppo del cervello e radialmente distende le cellule 
neuroepiteliali (Merkle FT and Arturo Alvarez-Buylla, 2006). 
 In seguito alla formazione dei primi neuroni, le NSCs che risiedono nelle 
pareti dei ventricoli laterali, a partire da cellule neuroepiteliali, vengono 
rimpiazzate da cellule della glia radiale, che a loro volta diventeranno cellule 
neuronali staminali adulte.  
 La progressione verso la differenziazione neuronica è determinata da un 
cambiamento interno alla cellula, sembrerebbe infatti sia regolata dalla 
downregulation dei markers tipici delle cellule progenitrici e l’upregulation di 
molti markers dei neuroni maturi. L’equilibrio fra l’espressione di specifici 
markers potrebbe essere alla base del destino evolutivo delle cellule del tubo 
neurale (Sandberg et al, 2005)
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1.2 Neurogenesi nell’adulto 
 La visione del tessuto nervoso come un tessuto stabile e perenne, valutato 
sulla base dell’attività proliferativa degli elementi cellulari, è stata accettata per 
molti anni come concezione comune delle neuroscienze classiche. 
Quest’ipotesi partiva dall’idea che avendo caratteristiche differenti neuroni e 
cellule gliali derivassero da pools di progenitori separati. Intorno agli anni 
settanta però emersero particolari importanti quando furono descritte cellule 
con caratteristiche nervose in grado di incorporare la timidina triziata ([H]
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timidina) (Altman, 1966), consentendo di identificare un certo tasso di 
proliferazione cellulare persistente in un’aerea posta sul contorno dei ventricoli 
laterali e in misura minore nel bulbo olfattivo. Una serie di esperimenti 
successivi dimostrarono che la neurogenesi persiste nel cervello dei vertebrati 
anche in età adulta (Goldman and Nottebohm 1983; Galileo et al., 1990; 
Alvarez-Buylla et al., 2001). Nel sistema nervoso centrale dei mammiferi adulti 
sono stati identificate due principali regioni proliferative contenenti cellule 
progenitrici neurali e sono: la zona sub-ventricolare (SVZ) lungo le pareti dei 
ventricoli laterali (Figura 2) e la zona sub-granulare (SGZ) nel giro dentato 
dell’ippocampo (Figura 3) (Lois and Alvarez-Buylla 1993). Le cellule di tipo B 
situate nella SVZ e gli astrociti radiali nella SGZ che hanno l’abilità di 
comportarsi da cellule staminali neurali, presentano molte caratteristiche degli 
astrociti, come ad esempio la capacità di esprimere la proteina fibrillare acida 
(GFAP) (Doetsch et al.,1999), che costituisce i filamenti intermedi degli 
astrociti maturi; la completa ablazione di GFAP ,nel cervello di topo adulto,
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generava una totale perdita di neurogenesi (Imura et al.,2003; Garcia et al., 
2004).  
 Dato che cellule della glia radiale e astrociti della zona ventricolare 
condividono molte proprietà, è stato ipotizzato che derivino dalla stessa linea 
cellulare (Tramontin et al., 2003). In particolare, le cellule della glia radiale 
delle pareti neonatali del ventricolo laterale occupa la stessa regione delle 
cellule staminali astrocitarie della zona sottoventricolare dell’adulto. 
 Esperimenti basati sulla strategia Cre-lox, per marcare in modo specifico la 
glia radiale neonatale hanno dimostrato che queste cellule generano neuroni, 
oligodendrociti, cellule ependimali e astrociti parenchimali, oltre che astrociti 
della zona sottoventricolare che agiscono come NSCs sia in vivo che in vitro 
(Merkle et al., 2004). In conclusione evidenze sperimentali suggeriscono che le 
NSCs gradualmente nel corso dell’evoluzione si trasformano da cellule  
neuroepiteliali in cellule della glia radiale terminando nell’adulto in astrociti 
della zona germinale (Merkle FT and Arturo Alvarez-Buylla, 2006) (Figura 4). 
 
2. La Gliogenesi e le basi molecolari del 
differenziamento 
 Lo sviluppo del tessuto nervoso è caratterizzato dalla generazione dei 
differenti tipi cellulari in sequenze progressive. Il passaggio dalla neurogenesi 
alla gliogenesi è caratterizzato da un cambiamento evidente nel comportamento 
dei precursori staminali che, in fase precoce dello sviluppo, dopo aver generato 
un certo numero di neuroni tramite divisione asimmetrica da l’avvio alla 
gliogenesi ritornando a dividersi simmetricamente (Figura 5). I meccanismi 
che regolano questo cambiamento, a livello embrionali, non sono conosciuti
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ma si pensa possano essere coinvolti sia fattori intrinseci, propri delle cellule 
staminali neurali, che variazioni nella segnalazione extracellulare (Temple, 
2001).  
 I precursori delle cellule astrocitarie, così come i neuroni, originano 
direttamente dalla glia radiale della zona embrionale ventricolare. I precursori 
neuroepiteliali per acquisire caratteristiche molecolari e citologiche tipiche 
della linea astrocitaria, la Glia radiale, subiscono nuovamente un cambiamento 
fenotipico. Come le cellule neuroepiteliali, le cellule della glia radiale si 
dividono nella zona ventricolare e mantengono contatti con la superficie piale 
attraverso un processo basale proiettato radialmente. Avendo molte 
caratteristiche in comune, è probabile che le cellule neuroepiteliali si 
trasformino direttamente in cellule della glia radiale, anche se non è stato 
ancora dimostrato sperimentalmente. Del resto anche se non è ancora ben 
chiaro come una cellula gliale sia in grado di produrre una moltitudine di tipi 
cellulari presenti nel cervello sappiamo che le singole cellule della glia radiale 
possono generare neuroni e che come popolazione sono i principali, se non gli 
unici, progenitori primari del prosencefalo embrionale dei mammiferi (Anthony 
et al.,2004). 
 Alcune cellule, durante la fase embrionale e post-natale, si separano dal 
proprio epitelio e iniziando a proliferare migrano verso la zona sub-
ventricolare. Da questa zona in poi si generano precursori migranti che 
viaggiando per lunghe distanze differenziano in glia matura o rimangono 
progenitori immaturi (Zerlin et al.,1995;2004). Al termine dello sviluppo post-
natale una piccola parte di queste cellule rimane immatura e si riproduce 
durante tutta la vita adulta.
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 Numerose ricerche negli ultimi anni si sono focalizzate sullo studio dei 
meccanismi molecolare alla base del differenziamento delle cellule neurali, a 
tal proposito sono state scoperte le caratteristiche fondamentali delle cellule 
staminali, come la multipotenzialita, la divisione simmetrica e asimmetrica. 
Inoltre è stato osservato che il differenziamento astrocitario è caratterizzato sia 
in vitro che in vivo dall’espressione di due markers, ovvero la proteina dei 
filamenti intermedi GFAP, nota anche per la sua specificità negli astrociti 
maturi, a la proteina calcio legante S100B, espressa anche in altri tipi di cellule. 
 La determinazione del lineage astrocitario può dipendere infatti sia da fattori 
extracellulari, che da programmi intracellulari, come la regolazione 
dell’espressione genetica. Un passo avanti nello studio cellulare è stato 
l’attribuzione a geni, i cui meccanismi molecolari sono attivi durante il 
commitment astrocitario, di un ruolo attivo nell’indirizzare le cellule verso un 
determinato lineage. Un elevato numero di vie di segnalazione sono in grado di 
promuovere il differenziamento astrocitario dei progenitori. Questi differenti 
pathways agiscono in modo sinergico sulle stesse vie di segnalazione che 
agiscono su GFAP che direttamente sul promotore. Inoltre dati sperimentali 
dimostrano che la proteina S100B ha un ruolo attivo nell’influenzare queste vie 
di segnalazione. 
 
3.  La Glia Radiale 
 L’acquisizione di proprietà specifiche da parte dei differenti tipi cellulari nel 
sistema nervoso è probabilmente un processo di restrizione sequenziale nello 
sviluppo. La restrizione della potenza da parte delle cellule staminali coinvolge 
una gerarchia di fattori di trascrizione, fattori di crescita e fattori ambientali che