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Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia
1Department of Orthopaedic and Trauma Surgery, Campus University Bio-Medico of Rome, Italy
2Cell Factory, Center of Transfusion Medicine, Cellular Therapy and Cryobiology, Department of Regenerative Medicine, Fondazione IRCCS Ca’ Granda Ospedale Maggiore Policlinico, Milano, Italy
La bellezza delle Cellule Staminali
Dr Gianluca Vadalà, MD, PhD
DIPARTIMENTO DI ORTOPEDIA E TRAUMATOLOGIA DIRETTORE: PROF. VINCENZO DENARO
www.cellfactorymilano.com
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stem cell
What is a stem cell?
stem cell
SELF-‐RENEWAL
specialized cell e.g. muscle cell, nerve cell
DIFFERENTIATION
http://www.eurostemcell.org
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1 stem cell
Self renewal -‐ maintains the stem cell pool
4 specialized cells DifferenEaEon -‐ replaces dead or damaged cells throughout your life
Why self-‐renew AND differen8ate?
1 stem cell
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Where are stem cells found?
embryonic stem cells blastocyst -‐ a very early
embryo
Essue stem cells fetus, baby and throughout life
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Tissue stem cells
muscles
skin
surface of the eye brain
breast
intes;nes (gut)
bone marrow
tes;cles
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Principles of renewing tissues
Stem cell
commiIed progenitors: -‐ “transient amplifying cells”
-‐ mul;potent -‐ divide rapidly -‐ no self-‐renewal
specialized cells: -‐ work
-‐ no division
Tissue stem cells
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Stem cell niches
Direct contact Soluble factors Intermediate cell
stem cell
niche
Niche Microenvironment around stem cells that provides support and signals regula;ng self-‐renewal and differen;a;on
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Homeostasis
• The ability to regulate internal conditions, usually by a system of feedback controls Stabilize health and functioning, regardless of the
outside changing conditions. • One piece of homeostasis is the constant or
periodic generation of new cells to replace old, damaged, and dying cells
• Adult stem cells fulfill this role through the process of regeneration
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Mesenchymal stem cells (MSCs)
MSC
bone marrow
commiIed progenitors
Bone (osteoblasts)
Car;lage (chondrocytes)
Fat (adipocytes)
specialized cells
Tissue stem cells
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Friedenstein et al. 1968
A.J. Friedenstein is generally credited with the discovery of MSC.
Mesenchymal Stem Cells!
ü Cells present within the hematopoietic microenvironment of bone marrow
ü spindle-shaped cells (fibroblastic-like) after plastic attachment
ü capacity to form colonies (colony forming unit-fibroblast, CFU-F)
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Pittinger, Science 1999
hMSC
human Skin fibroblast
Oil red O Immunostaining for Coll II alkaline phosphatase
differentiation capacity of MSCs!
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Sacchetti, Cell 2007
Self renewal of MSC!
MSCs have been identified as sinusoidal adventitial reticular cells
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Mesenchymal Stem/Stromal Cells (MSC)
osteocyte
chondrocyte
miocyte
tenocyte adipocyte Stromal cells
Growth factor & Cytokine
Differentiation
Trophic effect Proliferation Anabolism
Reparative activity Anti-inflammation
Pittenger 1999
Caplan 2006
Tissue regeneration mechanisms!
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MSCs function for tissue regeneration
Microenvironment
Regenerate Trophic
BioacEve Factors
Immuno-‐ suppressive
Reserve Cells
Turnover / Maintainance
MSCs
Caplan & Dennis, J. of Cellular Biochemistry, 1998
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Joint and Cartilage
Large bone gap
Tendon lesions
Spine
Regenerative medicine in Orthopaedic
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The Intervertebral disc!
Intervertebral disc
Spinal segment
Nucleus Pulposus
Anulus Fibrosus
Spinal cord
Nerve rout
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Intervertebral disc degeneration!
Degenerative cascade
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Therapeutic hypothesis
Differentiation
H20 H20 H20
H20 H20
Collagen Proteoglycans
Stem cells
to supplement disc cell population of a degenerated disc by stem cell transplantation
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Preliminary study
Evaluation of the interaction between Mesenchymal Stromal/Stem Cells from bone
marrow and Nucleus Pulposus Cells
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Mechanisms of interction ?!
Vadalà et al. Spine 2008
MSC
NPC
Co-coltura - 2 wks
Cell sorting
Analysis of gene expression profile
Double labeling cell system
Alginate beads
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Clinical translation
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Università Campus Bio-Medico
Unità di Ortopedia e Traumatologia Vincenzo Denaro, MD
Gianluca Vadalà, MD, PhD Maria Musumeci,PhD Fabrizio Russo, MD
Antonino Giacalone, MS Caterina Cattani, MS
University of Pittsburgh
Stem Cell Research Center Johnny Huard, PhD
Spine Research Laboratory James D. Kang, MD
Nam Vo, PhD Gwen Sowa, MD, PhD
Kevin Bell, PhD
AO Research Institute Davos
Musculoskeletal Regeneration Program
Mauro Alini, PhD Marianna Peroglio, PhD
Matteo D’Este, PhD
Università di Padova
Department of Veterinary Surgery
Roberto Busetto, DVM Marco Bernardini, DVM
Francesca De Strobel, DVM
Fondazione IRCCS Ca’ Granda, Ospedale Maggiore Policlinico Milano
Cell Factory Rosaria Giordano, MD Lorenza Lazzari, PhD
Acknowledgments
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Acknowledgments
Finanziamento PRIN
Stem Cell Research Group
Finanziamento Giovani Ricercatori
Research Traveling fellowship
AOSpine Europe Young Researcher Award
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Grazie!
www.unicampus.it