Neurobiologia dell’Autismo
Maria Luisa Scattoni
Reparto di Neurotossicologia e Neuroendocrinologia
Istituto Superiore di Sanità
Disturbi dello Spettro Autistico
Neuropsychopharmacology Reviews (2012) 37, 196-212
Symptoms or biomarkers
that are not required
for an ASD diagnosis but
are more common in ASD
than in the general
populations
Disturbi dello Spettro Autistico
Eziologia ancora sconosciuta
Interazione 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, influenza e citomegalovirus)
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 ]
Parental age: While most
mutations accumulate in the
paternal germline,
advanced maternal age might
contribute through mechanisms
such as increased pregnancy
complications and maternal
autoimmunity
Melatonin regulates
the circadian rhythm, is an antioxidant, is
involved in the immune response, and
regulates synaptic plasticity
Andreas M. Grabrucker Front. Psychiatry, 18 January 2013
1
CAUSE DEI DISTURBI DELLO SPETTRO AUTISTICO:
SIGNIFICATIVA COMPONENTE GENETICA
Hallmayer et al, Archives of General Psychiatry 2011:
Concordanza del 60% nei gemelli monozigoti
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
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)
Geni suddivisi in
sottogruppi
caratterizzati da un
meccanismo fisiopatologico
comune
Analisi dei trascritti (trascrittomica)
Voineagu I et al. Nature, 1-5 (2011)
“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
Famiglia con una
mutazione nel gene NLG 4
Stuart, the older but smaller of the two
brothers, can speak. But he’s still very
limited in how he communicates.
Timmy is non-verbal and tends to wander
the house searching for things to “get
into”.
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
2
Alterazioni nel Sistema Immunitario
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)
La barriera emato-encefalica del feto
sviluppa le sue proprietà di
“esclusione” principalmente in risposta alla cascata del segnale Wnt/β
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
3
Dendritic spine pathology in
neuropsychiatric disorders
Penzes et al., Nat Neuroscience 2011
Dendritic spine pathology in ASD
Proteins with genetic
associations with ASD
and comorbid
disorders participate
in pathways that
regulate spine
morphogenesis.
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:
UN’INCONTROLLATA PROLIFERAZIONE?
UNA RIDOTTA APOPTOSI? O ENTRAMBE?
Courchense E. et al, Jama, 2011
PROBLEMI DI CONNETTIVITÀ
CEREBRALE
NEGLI ADULTI CON DSA
ADULTI
They diminish in strength
over time while longer-range,
front-to-back connections
strengthen
Local connections
predominate in children
Neul JL, Nature 17 Nov 2011
Dosenbach, N.U. et al. Science 329, 1358–1361 (2010)
IPERCONNETTIVITÀ NEI BAMBINI CON DSA
Brain hyperconnectivity predicted autism symptoms: children with greater connectivity
exhibited more severe impairment in the social domain.
ESPERIMENTI DI OPTOGENETICA
Yizhar O. et al. Nature, 1-8 (2011)
Squilibrio eccitazione-inibizione
4
Squilibrio eccitazione-inibizione
GABA
• durante la fase embrionale e
perinatale:
this
neurotransmitter
depolarizes
targeted cells and triggers
calcium influx
• in the mature brain GABA acts
as an inhibitory transmitter
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
Importanza degli studi
preclinici
(modelli animali GENETICI)
Holt and Monaco, EMBO Mol Med. 2011
Strategia della RICERCA PRECLINICA
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-5 (APA, 2013)
Deficit
persistente nella
comunicazione
sociale e
nell´interazione
sociale in diversi
contesti
DISTURBI
DELLO
SPETTRO
AUTISTICO
Comportamenti
e/o interessi e/o
attività ristrette e
ripetitive
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
COMPROMISSIONE QUALITATIVA
DELLA COMUNICAZIONE SOCIALE
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 #2
MODALITÀ DI COMPORTAMENTO, INTERESSI
E ATTIVITÀ RISTRETTI, RIPETITIVI E
STEREOTIPATI
Self-Grooming
Densità sinaptica
SHANK3
– compromissione qualitativa dell’interazione sociale
(test di approccio sociale) e compromissione
qualitativa della comunicazione sociale (emissione
ridotta di ultrasuoni nel test di interazione maschiofemmina)
– modalità di comportamento, interessi e attività
ristretti, ripetitivi e stereotipati (alti livelli di selfgrooming)
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
Verifica di trattamenti
farmacologici:
Studi in vivo
Antagonista mGluR5
Silverman JL et al., Sci Transl Med. 2012 Apr 25;4(131)
Nose-to-Nose Sniffing
One mouse sniffs the snout region of the other
Time in Social Contact
Duration (sec)
100
80
60
**
40
20
0
B6
BTBR
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)
Verifica di trattamenti
farmacologici:
Studi in vitro
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
“Non-invasive tools for early detection of
Autism Spectrum Disorders”
Ministero della Salute- Progetto Giovani Ricercatori 2008
Network Italiano per il riconoscimento precoce
dei Disturbi dello spettro Autistico (NIDA)
Progetto CCM 2012
