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Università Campus Bio-Medico di Roma
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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	
 
http://www.eurostemcell.org
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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	
 
http://www.eurostemcell.org
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Tissue stem cells
muscles	
 
skin	
 
surface	
 of	
 the	
 eye	
  	
 brain	
 
breast	
 
intes;nes	
 (gut)	
 
bone	
 marrow	
 
tes;cles	
 
http://www.eurostemcell.org
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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	
 
http://www.eurostemcell.org
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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
http://www.eurostemcell.org
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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
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miocyte
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adipocyteStromal cells
Growth factor &
Cytokine
Differentiation
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Pittenger 1999
Caplan 2006
Tissue regeneration mechanisms!
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MSCs function for tissue regeneration
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Vadalà et al. Spine 2008
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Unità di Ortopedia e Traumatologia
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Gianluca Vadalà, MD, PhD
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Fabrizio Russo, MD
Antonino Giacalone, MS
Caterina Cattani, MS
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Stem Cell Research Center
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Spine Research Laboratory
James D. Kang, MD
Nam Vo, PhD
Gwen Sowa, MD, PhD
Kevin Bell, PhD
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Musculoskeletal Regeneration
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Marianna Peroglio, PhD
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Marco Bernardini, DVM
Francesca De Strobel, DVM
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Cell Factory
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Acknowledgments
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Acknowledgments
Finanziamento PRIN
Stem Cell Research Group
Finanziamento Giovani Ricercatori
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Grazie!
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Gianluca Vadalà, La bellezza delle cellule staminali (Msc and art)

  • 1. 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
  • 2. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia stem cell What is a stem cell? stem cell SELF-­‐RENEWAL specialized cell e.g. muscle cell, nerve cell DIFFERENTIATION http://www.eurostemcell.org
  • 3. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia 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 http://www.eurostemcell.org
  • 4. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia Where are stem cells found? embryonic stem cells blastocyst -­‐ a very early embryo Essue stem cells fetus, baby and throughout life http://www.eurostemcell.org
  • 5. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia Tissue stem cells muscles skin surface of the eye brain breast intes;nes (gut) bone marrow tes;cles http://www.eurostemcell.org
  • 6. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia 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 http://www.eurostemcell.org
  • 7. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia 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 http://www.eurostemcell.org
  • 8. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia 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
  • 9. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia Mesenchymal stem cells (MSCs) MSC bone marrow commiIed progenitors Bone (osteoblasts) Car;lage (chondrocytes) Fat (adipocytes) specialized cells Tissue stem cells http://www.eurostemcell.org
  • 10. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia 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)
  • 11. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia
  • 12. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia Pittinger, Science 1999 hMSC human Skin fibroblast Oil red O Immunostaining for Coll II alkaline phosphatase differentiation capacity of MSCs!
  • 13. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia Sacchetti, Cell 2007 Self renewal of MSC! MSCs have been identified as sinusoidal adventitial reticular cells
  • 14. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia Mesenchymal Stem/Stromal Cells (MSC) osteocyte chondrocyte miocyte tenocyte adipocyteStromal cells Growth factor & Cytokine Differentiation Trophic effect Proliferation Anabolism Reparative activity Anti-inflammation Pittenger 1999 Caplan 2006 Tissue regeneration mechanisms!
  • 15. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia MSCs function for tissue regeneration Microenvironment Regenerate Trophic BioacEve Factors Immuno-­‐ suppressive Reserve Cells Turnover / Maintainance MSCs Caplan & Dennis, J. of Cellular Biochemistry, 1998
  • 16. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia Joint and Cartilage Large bone gap Tendon lesions Spine Regenerative medicine in Orthopaedic
  • 17. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia The Intervertebral disc! Intervertebral disc Spinal segment Nucleus Pulposus Anulus Fibrosus Spinal cord Nerve rout
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  • 25. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia
  • 26. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia Intervertebral disc degeneration! Degenerative cascade
  • 27. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia 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
  • 28. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia Preliminary study Evaluation of the interaction between Mesenchymal Stromal/Stem Cells from bone marrow and Nucleus Pulposus Cells
  • 29. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia 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
  • 30. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia
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  • 35. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia
  • 36. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia Clinical translation
  • 37. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia 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
  • 38. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia Acknowledgments Finanziamento PRIN Stem Cell Research Group Finanziamento Giovani Ricercatori Research Traveling fellowship AOSpine Europe Young Researcher Award
  • 39. Università Campus Bio-Medico di Roma Via Álvaro del Portillo, 21 - 00128 Roma - Italia Grazie! www.unicampus.it