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