Neurobiologia dell`Autismo - Istituto Superiore di Sanità

Neurobiologia dell’Autismo
Maria Luisa Scattoni
Reparto di Neurotossicologia e Neuroendocrinologia
Istituto Superiore di Sanità, Rome, Italy
Epidemiologia
Non si riesce a spiegare il 46% dell’aumento:
fattori ambientali?
King, M. & Bearman P. P.Int J Epidemiol (2009); King M. & Bearman P. Am. Soc.Rev. (2011)
Geni e Ambiente
COMPONENTE
AMBIENTALE
55%
DISTURBI
DELLO
SPETTRO
AUTISTICO
COMPONENTE
GENETICA
37%
Hallmayer J et al., Arch Gen Psychiatry 2011
Fattori ambientali:
1. Età dei genitori
(Sanders et al., Nature 2012; Reichenberg et al., Arch Gen Psychiatry 2006)
2. Basso peso alla nascita (Eaton 2001)
3. Parti multipli (distanza tra le nascite minore di 12 mesi; Cheslack‐Postava et al, 2011)
4. Infezioni materne durante la gravidanza (Virus della rosolia)
5. Contaminanti chimici ai quali la madre e/o il
neonato viene esposto [alcool etilico, acido valproico (farmaco antiepilettico), talidomide (farmaco tranquillante ed antiematico; organofosfati ]
Fattori ambientali
Nello scorso decennio:
• il governo degli STATI UNITI ha speso circa:
‐1 bilione di dollari negli studi genetici
‐40 milioni di dollari negli studi sui possibili fattori ambientali
SEED
Under the auspices of CDC, began recruiting about 2700 children aged two to five
The study includes developmental evaluations, questionnaries, a review of medical records and analysis of blood, cheek‐cell and hair‐samples to examine genetic make‐
up exposures to environmental chemicals
SEED
EARLI
Funded by NIH is enrolling up to 1200 families that have a child with autism and are preparing to have another baby
The study intends to look for any interplay between environmental factors and genetic susceptibility that might contribute to autism risk in their next child
Sistema Immunitario
La barriera emato‐encefalica garantisce il filtro in entrata di cellule e molecole nel SNC garantendo l’entrata solo ad alcuni componenti e prevenendo l’accesso di agenti infiammatori
La barriera emato‐encefalica del feto sviluppa le sue proprietà di “esclusione”
principalmente in risposta alla cascata del segnale Wnt/β‐catenina degli astrociti perivascolari
PURTROPPO numerose molecole che partecipano a questa cascata sono codificate da geni considerati fattori di suscettibilità all’autismo
ENGRAILED 2: regola la sensibilità a fattori esogeni che attraversano la placenta dalla circolazione materna (Benayed et al., Am J Hum Genet 2005)
MET receptor tyrosine kinase (provvede al mantenimento di una certa tolleranza contro le proprie cellule – self‐tolerance): suo polimorfismo (ridotti livelli della proteina) è stato significativamente associato alla presenza di anticorpi materni diretti contro le cellule cerebrali fetali trovati nelle madri di bambini con autismo (Heuer et al., Translational Psychiatry 2011)
Questi anticorpi possono anche essere prodotti in risposta ad un’infezione
Infiammazione materna durante la gravidanza (infezioni virali o batteriche) Elevati livelli di citochine proinfiammatorie circolanti
Goines PE, Ashwood P, Cytokine dysregulation in autism spectrum disorders (ASD): Possible role of the environment, Neurotoxicol Teratol (2012)
Disturbi dello Spettro Autistico
CAUSE DEI DISTURBI DELLO SPETTRO AUTISTICO: SIGNIFICATIVA COMPONENTE GENETICA
Hallmayer et al, Archives of General Psychiatry 2011: ¾ Concordanza del 60% nei gemelli monozigoti
¾ Concordanza del 35% nei gemelli dizigoti
Analisi di Linkage indicano molti geni coinvolti, inclusi:
Engrailed‐2, Neuroligin, neurexin, SHANK3, FOXP2, WNT2, HOXA1, CHD8, SCN2A, KATNAL2, GRIN2B, DYRK1A e neuropeptidi implicati nei
comportamenti sociali e affiliativi (Ossitocina, Vasopressina)
High risk infants
Baby Siblings Research Consortium Study
finanziato da AUTISM SPEAKS
‐ 12 siti negli Stati Uniti
‐ 664 bambini ad alto rischio reclutati e seguiti fino ai 36 mesi
‐ 132 bambini diagnosticati con DSA (41% autismo; 59%
con Disturbi generalizzati dello sviluppo non altrimenti
specificati)
RISCHIO SALITO AL 18% (25.9% nei maschi e 9.6% nelle femmine) La complessità
della genetica alla base dei DSA: 2193 genes (99 syndromic autism related genes and 2135 non‐syndromic autism related genes), 4617 Copy Number Variations (CNVs) and 158 linkage regions associated with ASD
ASD candidates Genes showing association with ASD
ASD genes Holt and Monaco, EMBO Mol Med. 2011
Betancur C. Brain Res. 2011
Mendelian Syndromes
12p13.33 (CACNA1C) Timothy Syndrome
15q11.2 (UBE3A) Angelman Syndrome
Xq27.3 (FMR1) Fragile X Syndrome
Xq28 (MECP2) Rett Syndrome
increase in risk for ASDs
Rare variants: 1% of cases
2p16.3 (NRXN1) ASD, ID, language delay, SCZ
3p13 (FOXP1) ID, ASD
22q13.33 (SHANK3) ASD
Xp22.32‐p22.31 (NLGN4X) ASD, ID, TS, ADHD
Xq13.1 (NLGN3) ASD
Common Alleles
1q42.2 (DISC1)
7q22.1 (RELN)
7q36.3 (EN2)
“Many‐to‐one” relationship
The number of genes predicted to carry risk for ASD has steadily increased (now reaching well into hundreds) with no single locus accounting for more than 1% of cases
“One‐to‐many” phenomenon
Identical highly penetrant variants in different individuals carry large effects but for a wide range of outcomes, including ASD, epilepsy, intellectual disability and schizophrenia
Mappa dell’espressione spaziotemporale di alcuni geni candidati
Molti dei geni mostrano un’espressione spazio‐temporale ben precisa nel cervello in via di sviluppo:
aumento nella corteccia cerebrale durante il secondo trimestre di gestazione, un periodo cruciale dello sviluppo per la formazione di circuiti neurali precoci
State and Sestan, Science 2012
Analisi dei trascritti (trascrittomica) Voineagu I et al. Nature, 1‐5 (2011)
Dendritic spine pathology in neuropsychiatric disorders
Penzes et al., Nat Neuroscience 2011 Dendritic spine pathology in ASD
Penzes et al., Nat Neuroscience 2011 Neuroni e spine dendritiche
Neurone di controllo:
proteine in equilibrio derivate da un corretto livello di espressione
Sindrome dell’ X fragile:
Sindrome di Angelman:
Numero di dendriti normale
ma è aumentata la densità delle
spine dendritiche che sono più
lunghe e fine
Numero di dendriti normale ma è
diminuita la densità delle spine dendritiche che subiscono anche
una alterazione della loro forma
Sindrome di Rett :
Sindrome di Rett :
(Mecp2‐null mice)
Il numero di dendriti e delle spine dendritiche è notevolmente
diminuito e hanno subito una
alterazione della loro forma
(Mecp2 is duplicated)
Il numero di dendriti e di spine dendritiche è notevolmente
aumentato
Melissa B. Ramocki & Huda Y. Zoghbi; Nature; 2011
Variazioni anche
nel numero di neuroni
Il peso del cervello è
maggiore nei
bambini autistici
Corteccia prefrontale:
n = 7
n = 6
tra i 2 e i 16 anni
Courchense E. et al, Jama, 2011
Variazioni anche
nel numero di neuroni
Nella corteccia prefrontale si osserva un maggior numero di neuroni
Le cause dell’aumento di neuroni sono
da ricercare al livello prenatale
Courchense E. et al, Jama, 2011
Problemi di connettività
Neul JL, Nature 17 Nov 2011
Dosenbach, N.U. et al. Science 329, 1358–1361 (2010)
Problemi di connettività
Squilibrio eccitazione‐inibizione
Yizhar O. et al. Nature, 1‐8 (2011)
GABA
• in the mature brain GABA acts as an inhibitory transmitter
• during the embryonic and the perinatal period, this neurotransmitter depolarizes targeted cells and triggers calcium influx REGOLA molti processi durante lo sviluppo: Proliferazione cellulare
Migrazione
Differenziamento
Maturazione sinaptica
Morte cellulare
Modelli animali in cui
è stata rilevata
un’alterazione del
bilanciamento E/I
X‐fragile
Fmr1(fragile X mental retardation 1): sul braccio lungo del cromosoma X (Xq27.3) codifica per la proteina FMRP ‐ Ritardo mentale e disturbi nel linguaggio
‐ Iperattività
‐ Comportamenti autistici
‐ Attacchi epilettici
Teoria del recettore mGlu nell’X‐fragile
In assenza di FMRP:
‐ un’eccessiva sintesi di proteine sinaptiche
‐ attivazione recettori mGluR5 (recettori metabotropici
del glutammato)
‐ danneggiamento dei circuiti GABAergici e una diminuita
espressione delle subunità dei recettori GABAA
Diminuzione ipereccitabilità
della funzione GABAergica = Nonostante tutte queste osservazioni non esistono
dei marcatori precoci per l’autismo perchè:
• Il disturbo si sviluppa tra il periodo pre‐natale e la prima adolescenza quindi si possono sviluppare interazioni tra fattori di rischio multipli
• I pochi biomarcatori candidati non sono stati rilevati in tutti i pazienti autistici
• Biomarcatori trovati sono spesso associati con altri disturbi del neurosviluppo
Strategia dell’ISS, del MIND Institute e dell’NIMH
per esaminare il contributo della genetica nell’eziologia dell’autismo
Dati
Clinici
With gratitude to
Geri Dawson, Uta Frith,
Cathy Lord, Sarah Spence,
Sue Swedo, Audrey Thurm
Perchè i modelli animali sono utili?
Topi e umani condividono il 99% dei loro geni
Simile anatomia cerebrale
Simili neurotrasmettitori, recettori
Simile fisiologia, elettrofisiologia cerebrale
Analoghi endofenotipi comportamentali
I topi sono una specie altamente sociale
Comportamenti sociali nel
Mus musculus
nose‐to‐nose sniff
fighting
nose‐to‐anogenital sniff
social memory
nesting
parenting
mating
Mouse Models with Mutations in Candidate Genes
Adapted from Abrahams and Geschwind, Nature Reviews Genetics 2008
Human Gene
Co-morbid Syndrome
AVPR1a
CACNA1C
Mutant
Mouse
Yes
Timothy
Yes
CADPS2
No
CNTNAP2
Yes
DHCR7
Smith-Lemli-Opitz
EN2
FMR1
Yes
Yes
Fragile X
Yes
GABARβ2
Yes
ITBG3
Yes
MECP2
Rett
Yes
MET
(tumors)
Yes
NRXN1
Yes
NLGN3
Yes
NLGN4
Yes
OXTR
Yes
PTEN
(cancers)
RELN
Yes
Yes
SHANK3
SLC6A4
22q13 deletion Phelan-McDermid
Yes
Yes
TSC1, TSc2
Tuberous sclerosis
Yes
UBE3A
Angelman
Yes
La famiglia dei geni SHANK
CRITERI DIAGNOSTICI SECONDO IL DSM‐IV‐TR (2001)
compromissione qualitativa dell’interazione sociale modalità di comportamento, interessi e attività
ristretti, ripetitivi e stereotipati
DISTURBI DELLO SPETTRO AUTISTICO
compromissione qualitativa della comunicazione
COMPROMISSIONE QUALITATIVA DELL’INTERAZIONE SOCIALE Weighted
cup
prevents
climbing
Novel mouse
photobeam
motion
detectors
Center chamber
Start location
Empty wire cup
“Novel object”
Topo di controllo
Topo
“autistico”
Interazione sociale
Controlli Shank3
Criterio #2
COMPROMISSIONE QUALITATIVA DELLA COMUNICAZIONE
I topi comunicano tra di loro principalmente
con le vocalizzazioni ultrasoniche
Vocalizzazioni ultrasoniche Holy and Guo, PLoS Biology 2005
Interazione sociale maschio‐femmina
CONTROLLI
Interazione sociale maschio‐femmina
MODELLO ANIMALE DI AUTISMO
DEFICIT SOCIO‐COMUNICATIVO
Controlli Shank3
WT
KO
Controlli Shank3
Criterio #3
MODALITÀ DI COMPORTAMENTO, INTERESSI E ATTIVITÀ RISTRETTI, RIPETITIVI E STEREOTIPATI
Self‐Grooming
Densità sinaptica
SHANK3
– compromissione qualitativa dell’interazione sociale (test di approccio sociale)
– modalità di comportamento, interessi e attività
ristretti, ripetitivi e stereotipati (alti livelli di self‐
grooming) – compromissione qualitativa della comunicazione
(emissione ridotta di ultrasuoni nel test di interazione maschio‐femmina)
Modelli animali :
– Valutare la complessa interazione gene‐ambiente
– Studiare i pathways neurobiologici alla base dei tre sintomi principali dell’autismo
– Esplorare eventuali interventi terapeutici/comportamentali
Nuovo trattamento farmacologico
Antagonista mGluR5
Silverman JL et al., Sci Transl Med. 2012 Apr 25;4(131)
Comportamenti ripetitivi e stereotipie
Topo di controllo
Modello animale di autismo
Silverman JL et al., Sci Transl Med. 2012 Apr 25;4(131)
Conclusioni
L’autismo è contraddistinto da una grande eterogeneità che rende difficoltosa la validazione di teorie eziopatologiche capaci di sintetizzare gli aspetti cognitivi, comportamentali e fisiologici.
Approssimativamente 67 milioni di persone nel mondo sono affette da autismo, più di quante ne colpiscano i tumori, il diabete e l’AIDS messi insieme.
Non esiste una cura per l’autismo ma la diagnosi e un intervento precoce ne migliorano l’esito
la figura del PEDIATRA è indispensabile
Grazie per l’attenzione