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IL MODELLO GERARCHICO E IL MODELLO CONTINUUM DELL’EMOPOIESI: NICCHIE O AREE D'INFLUENZA?
Il modello gerarchico dell'emopoiesi propone che le cellule staminali immature (long term hematopoietic stem cell LT-HSC) diano origine a cellule staminali più mature (short term hematopoietic stem cell ST-HSC), le quali darebbero origine a progenitori multipotenti (multipotent stem cell MP). Questi progenitori sarebbero poi in grado di differenziarsi nel progenitore mieloide comune (common myeloid progenitor, CMP) e nel progenitore linfoide comune (common lymphoid progenitor, CLP). Questi due progenitori si differenzierebbero ancora rispettivamente nei progenitori dei granulociti-macrofagi (granulocyte-macrophage progenitor, GMP)/progenitori megacariocitario-eritrocitario (megakaryocyte-erythroid progenitor, MEP) e nei progenitori dei linfociti T, B, NK o delle cellule dendritiche (Pro-T, Pro-B, Pro-NK, Pro-DC).
In questo modello si ipotizza che il differenziamento delle cellule staminali del midollo osseo sia intrinsecamente gerarchico, con la progressiva perdita di potenziale proliferativo e la progressiva acquisizione di caratteristiche di cellule differenziate.
Inoltre si pensa che le HSC si localizzino insieme ad altre cellule di supporto in regioni specifiche o di microambienti specializzati del midollo osseo, chiamate nicchia che sono un complesso formato da diversi tipi cellulari, matrice e molecole solubili.
Nei mammiferi, l’emopoiesi avviene sequenzialmente in diversi siti durante lo sviluppo embrio-fetale: il sacco vitellino, la regione aorta-gonade-mesonefrone, il fegato fetale e il midollo osseo. L'ondata iniziale di produzione di cellule emopoietiche nel sacco vitellino dei mammiferi è chiamata emopoiesi primitiva, la cui funzione è la produzione di cellule della linea eritroide che facilitano l’ossigenazione dei tessuti dell’embrione in crescita. Questa emopoiesi primitiva è transiente e viene rapidamente sostituita dall’emopoiesi di tipo adulto detta anche definitiva. Le proprietà delle HSC cambiano da un sito emopoietico all’altro, probabilmente perché cambiano le caratteristiche delle nicchie che supportano l’espansione e il differenziamento delle HSC e per le diverse caratteristiche intrinseche delle HSC durante i vari stadi dello sviluppo. Si pensa che i cambiamenti dei siti in cui avviene l’emopoiesi durante lo sviluppo embrionale non siano accompagnati da una produzione di HSC “de novo”, ma piuttosto che le diverse nicchie supportino l’espansione di popolazioni di HSC che migrano dal vecchio al nuovo sito di emopoiesi. Comunque non esistono evidenze sperimentali nei mammiferi (ad esempio studi di fate mapping o visualizzazione diretta delle HSC), che dimostrino la colonizzazione delle HSC da un sito all’altro.
Poco si conosce sulla natura delle nicchie dei diversi siti emopoietici durante la vita embrionale, mentre la nicchia del midollo osseo adulto è stata ampiamente studiata. Nel midollo osseo le HSC potrebbero risiedere nella nicchia endosteale, in associazione con gli osteoblasti delle trabecole dell’osso, che possono regolare il numero e la funzione delle HSC, attraverso la secrezione di osteopontina e attraverso un complesso e non ancora completamente identificato network di segnali paracrini (es. Kit/Kit ligand, Notch, angiopoietina-1/Tie-2, Bone Morphogenetic Protein BMP).
Altri studi indicano che la nicchia delle HSC sarebbe adiacente a cellule vascolari (nicchia vascolare). La fenestrazione dei sinusoidi del midollo osseo e l’espressione sulle cellule endoteliali di chemochine (CXCL12) e di molecole di adesione (es. E-selectina e VCAM-1) potrebbero essere critiche per la mobilizzazione e l’homing delle HSC e la tempestiva risposta a stress ematologici.
Tutti questi studi indicano che le HSC possano risiedere in diversi siti nel midollo e che la loro funzione potrebbe essere influenzata dalla loro localizzazione ed in particolare che la nicchia endosteale concorrerebbe al mantenimento delle HSC in uno stato quiescente per lungo tempo, mentre la nicchia vascolare manterrebbe le HSC per un breve periodo di tempo, supportandone la proliferazione, favorendone il differenziamento mieloide e megacariocitario, e mediando l’entrata in circolo delle cellule.
Alcuni lavori hanno indicato che l’ipossia possa essere un’importate fattore delle nicchie midollari, e che le cellule staminali con livelli bassi o elevati di speci reattive dell’ossigeno possano risiedere preferenzialmente in differenti nicchie del midollo osseo. La nicchia endosteale conterrebbe cellule staminali non-proliferanti con basso contenuto di speci reattive dell’ossigeno, mentre la nicchia endoteliale conterrebbe cellule staminali proliferanti con alto contenuto di speci reattive dell’ossigeno.
Anche un’altra popolazione di cellule staminali risiedono nel midollo osseo: le cellule mesenchimali stromali (MSC), che giocano un ruolo importante come supporto stromale delle HSC nel midollo. Le MSC si localizzerebbero nella regione perivascolare, in stretta associazione con le HSC e concorrerebbero al mantenimento dello stato quiescente delle HSC, inibendo la proliferazione e il differenziamento delle stesse.
Evidenze sperimentali indicano che il sistema delle cellule staminali/progenitori emopoietici del midollo osseo non sarebbe così strettamente gerarchico. In un lavoro che risale al 1984 Suda seguì il destino delle cellule risultanti dalla divisione di una cellula staminale: approssimativamente nel 20% dei casi, le cellule figlie derivate da una divisione mostravano varie capacità differenziate: una cellula può dare origine a megacariociti e eritrociti, mentre l’altra cellula figlia da origine a granulociti e macrofagi. In questo lavoro si è dimostrato che cellule staminali multipotenti possono dare origine a cellule unipotenti: questo tipo di progenie non può venir giustificata dal modello di differenziamento gerarchico dell’emopoiesi. Anche Takano, studiando le divisioni asimmetriche e il commissionamento delle HSC nel midollo osseo murino, presentò dei dati contro il modello gerarchico e contro l’esistenza delle CLP e CMP come precursori definitivi di tutte le cellule linfoidi e mieloidi, ipotizzando che il commissionamento verso una particolare linea maturativa dipendesse da divisioni asimmetriche sotto l’influenza di fattori esterni.
Quesemberry ha recentemente reinterpretato questi lavori suggerendo un nuovo concetto, che cioè il fenotipo delle popolazioni delle cellule staminali cambi in continuum nel tempo. Secondo il modello continuum il potenziale differenziativo delle HSC nel midollo osseo dell’adulto cambierebbe continuamente con le diverse fasi del ciclo cellulare, questi cambiamenti sarebbero reversibili e non unidirezionali. Pertanto, le cellule staminali del midollo osseo non potrebbero essere definite a livello di singola cellula, ma piuttosto a livello di popolazione cellulare in quanto il fenotipo e il potenziale funzionale cambierebbe continuamente e reversibilmente. Il fenotipo delle cellule staminali può reversibilmente cambiare nel corso del ciclo cellulare, fino a che non interviene uno stimolo differenziativo terminale. In questo modello lo status del ciclo cellulare e l'esposizione a stimoli potrebbero svolgere un ruolo importante nel determinare il differenziamento delle HSC.
Il microambiente midollare giocherebbe un ruolo fondamentale nella regolazione del “continuum” del fenotipo delle cellule staminali. Sulla base di questa interpretazione dinamica, è stato quindi suggerito che le cosiddette “cellule nicchia” siano rappresentate da pochi tipi di cellule che adeguano continuamente il loro fenotipo e la loro funzione alle diverse situazioni ambientali: anche le cellule della nicchia cambierebbero fenotipo per interagire adeguatamente con il continuum del fenotipo delle HSC. Da questo punto di vista, il microambiente del midollo osseo può venire interpretato non più come costituito da diverse nicchie, ma come costituito da diverse aree di influenza, che continuamente si adattano alle diverse situazioni.
In questo contesto, le microvescicole (MV) potrebbero rappresentare un’importante mezzo di trasferimento di informazioni genetiche tra le cellule presenti nelle nicchie o nelle aree di influenza. Le MV derivano dal compartimento della membrana endosomale dopo fusione con la membrana plasmatica e sono liberate dalla superficie delle cellule attivate e possono essere liberate da vari tipi di cellule, come ad esempio dalle piastrine, dalle cellule che circolano nel sangue e dalle cellule endoteliali e rappresentano una popolazione eterogenea che si differenzia per diversa origine cellulare, numero, dimensioni e composizione antigenica.
Originariamente le MV erano ritenute residui cellulari inerti ma ora è riconosciuto che possono interagire con cellule target attraverso specifiche interazioni recettore ligando e sono in grado di indurre la stimolazione delle cellule bersaglio o di trasferire recettori di superficie, proteine, mRNA e microRNA, agendo come mediatori paracrini tra cellule. Quesemberry propone che una continua modulazione genetica, attraverso le MV scambiate tra cellule, possa essere critica per determinare la variazione del fenotipo delle cellule staminali all'interno delle aree di influenza.