Neurobiologia dellNeurobiologia dell’’AutismoAutismo

Maria Luisa ScattoniMaria Luisa Scattoni

Reparto di Neurotossicologia e Neuroendocrinologia

Istituto Superiore di Sanità

Neuropsychopharmacology Reviews (2012) 37, 196-212

Disturbi dello Spettro Autistico

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 AutisticoEziologia ancora sconosciuta

Interazione Geni e AmbienteInterazione Geni e Ambiente

COMPONENTE AMBIENTALE

COMPONENTE GENETICA

DISTURBI DISTURBI DELLO DELLO

SPETTRO SPETTRO AUTISTICOAUTISTICO

55% 37%

Hallmayer J et al., Arch Gen Psychiatry 2011

Fattori ambientali: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 ]

Andreas M. Grabrucker Front. Psychiatry, 18 January 2013

Melatonin regulatesthe circadian rhythm, is an antioxidant, is

involved in the immune response, andregulates synaptic plasticity

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

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)

CAUSE DEI DISTURBI DELLO SPETTRO AUTISTICO: SIGNIFICATIVA COMPONENTE GENETICA

11

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 altrimentispecificati)

RISCHIO SALITO AL 18% (25.9% nei maschi e 9.6% nelle femmine)

La complessitLa complessitààdella genetica della genetica

alla base dei DSA: 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

Holt and Monaco, EMBO Mol Med. 2011

Betancur C. Brain Res. 2011

Genes showing association with ASD

ASD genes

ASD candidates

Mendelian Syndromes

Rare variants: 1% of cases

Common Alleles

12p13.33 (CACNA1C) Timothy Syndrome

15q11.2 (UBE3A) Angelman Syndrome

Xq27.3 (FMR1) Fragile X Syndrome

increase in risk for ASDs

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

1q42.2 (DISC1)

7q22.1 (RELN)

7q36.3 (EN2)

Geni suddivisi insottogruppi

caratterizzati da unmeccanismo fisiopatologico

comune

Analisi dei trascritti (trascrittomica) Analisi dei trascritti (trascrittomica)

Voineagu I et al. Nature, 1-5 (2011)

“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

“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

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”.

Famiglia con una mutazione nel gene NLG 4

State and Sestan, Science 2012

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

Alterazioni nel Sistema Immunitario

22

Goines PE, Ashwood P, Cytokine dysregulation in autism spectrum disorders (ASD): Possible role of the environment, Neurotoxicol Teratol (2012)

Infiammazione materna durante la gravidanza (infezioni virali o batteriche)

Elevati livelli di citochine proinfiammatorie circolanti

La barriera emato-encefalica del feto sviluppa le sue proprietà di

“esclusione” principalmente in risposta alla cascata del segnale Wnt/ββββ-catenina degli astrociti perivascolari

PURTROPPO numerose molecole che partecipano a questa cascata sono codificate da geni considerati fattori di suscettibilità all’autismo:

ENGRAILED 2: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 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

Penzes et al., Nat Neuroscience 2011

Dendritic spine pathology in neuropsychiatric disorders

33

Dendritic spine pathology in ASD

Penzes et al., Nat Neuroscience 2011

Proteins with genetic associations with ASD

and comorbid disorders participate

in pathways that regulate spine

morphogenesis.

Neuroni e spine dendriticheNeuroni e spine dendritiche

Neurone di controllo:Neurone di controllo:proteine in equilibrio derivate da un proteine in equilibrio derivate da un

corretto livello di espressionecorretto livello di espressione

Sindrome dellSindrome dell’’ X fragile:X fragile:Numero di dendriti normale

ma è aumentata la densità delle spine dendritiche che sono più

lunghe e fine

Sindrome di Angelman:Sindrome di Angelman: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

Sindrome di Rett :Sindrome di Rett :(Mecp2 is duplicated)

Il numero di dendriti e di spine dendritiche è notevolmente

aumentato

Melissa B. Ramocki & Huda Y. Zoghbi; Nature; 2011

Variazioni anche Variazioni anche nel numero di neuroninel numero di neuroni

Il peso del cervello Il peso del cervello èèmaggiore neimaggiore nei

bambini autisticibambini autistici

Courchense E. et al, Jama, 2011

Corteccia prefrontale:

n = 7 n = 6

tra i 2 e i 16 anni

Variazioni anche Variazioni anche nel numero di neuroninel numero di neuroni

Nella corteccia prefrontale si osserva un Nella corteccia prefrontale si osserva un maggior numero di neuroni maggior numero di neuroni

Le cause dellLe cause dell’’aumento di neuroniaumento di neuronisono da ricercare al livello prenatale:sono da ricercare al livello prenatale:

UN’INCONTROLLATA PROLIFERAZIONE? UNA RIDOTTA APOPTOSI? O ENTRAMBE?

Courchense E. et al, Jama, 2011

PROBLEMI DI CONNETTIVITPROBLEMI DI CONNETTIVITÀÀCEREBRALECEREBRALE

NEGLI ADULTI CON DSANEGLI ADULTI CON DSA

Neul JL, Nature 17 Nov 2011

Dosenbach, N.U. et al. Science 329, 1358–1361 (2010)

Local connectionspredominate in children

They diminish in strengthover time while longer-range,

front-to-back connections strengthen

ADULTIADULTI

IPERCONNETTIVITIPERCONNETTIVITÀÀ NEI BAMBINI CON DSA NEI BAMBINI CON DSA

Brain hyperconnectivity predicted autism symptoms: children with greater connectivity exhibited more severe impairment in the social domain.

Squilibrio eccitazioneSquilibrio eccitazione--inibizioneinibizione

Yizhar O. et al. Nature, 1-8 (2011)

ESPERIMENTI DI OPTOGENETICA

Squilibrio eccitazioneSquilibrio eccitazione--inibizioneinibizione

44

GABAGABA

• 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 cuiè stata rilevata

un’alterazione delbilanciamento E/I

XX--fragilefragileFmr1(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 della funzione GABAergica = ipereccitabilità

Nonostante tutte queste osservazioni non esistono Nonostante tutte queste osservazioni non esistono dei marcatori precoci per ldei marcatori precoci per l’’autismo perchautismo perchèè::

•• Il disturbo si sviluppa tra il periodo preIl disturbo si sviluppa tra il periodo pre--natale e la prima adolescenza natale e la prima adolescenza quindi si possono sviluppare interazioni tra fattori di rischio quindi si possono sviluppare interazioni tra fattori di rischio multiplimultipli

•• I pochi biomarcatori candidati non sono stati rilevati in tutti I pochi biomarcatori candidati non sono stati rilevati in tutti i pazienti i pazienti autisticiautistici

•• Biomarcatori trovati sono spesso associati con altri disturbi deBiomarcatori trovati sono spesso associati con altri disturbi del l neurosvilupponeurosviluppo

Holt and Monaco, EMBO Mol Med. 2011

Importanza degli studi

preclinici

(modelli animali GENETICI)

Strategia della RICERCA PRECLINICAper esaminare il contributo della genetica nell’eziologia dell’autismo

Dati

CliniciWith 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 comportamentaliI topi sono una specie altamente sociale

Comportamenti sociali nelMus musculus

nose-to-nose sniff

social memory

nose-to-anogenital sniff

mating

fighting

nesting

parenting

Adapted from Abrahams and Geschwind, Nature Reviews Genetics 2008

Mouse Models with Mutations in Candidate Genes

Human Gene Co-morbid Syndrome Mutant Mouse

AVPR1a Yes

CACNA1C Timothy Yes

CADPS2 No

CNTNAP2 Yes

DHCR7 Smith-Lemli-Opitz Yes

EN2 Yes

FMR1 Fragile X Yes

GABARβ2 Yes

ITBG3 Yes

MECP2 Rett Yes

MET (tumors) Yes

NRXN1 Yes

NLGN3 Yes

NLGN4 Yes

OXTR Yes

PTEN (cancers) Yes

RELN Yes

SHANK3 22q13 deletion Phelan-McDermid Yes

SLC6A4 Yes

TSC1, TSc2 Tuberous sclerosis Yes

UBE3A Angelman Yes

La famiglia dei geni SHANKLa famiglia dei geni SHANK

DISTURBI

DELLO

SPETTRO

AUTISTICO

Deficit persistente nella comunicazione

sociale e nell´interazione sociale in diversi

contesti

Comportamenti e/o interessi e/o attività ristrette e

ripetitive

CRITERI DIAGNOSTICI SECONDO IL DSM-5 (APA, 2013)

COMPROMISSIONE QUALITATIVA DELL’INTERAZIONE SOCIALE

Center chamberStart location

Empty wire cup“Novel object”

Novel mouse

photobeam motion

detectors

Weighted cupprevents climbing

Topo di controllo

Topo“autistico”

Controlli Shank3

Interazione

sociale

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-femminaCONTROLLI

Interazione sociale maschio-femminaMODELLO ANIMALE DI AUTISMO

DEFICIT SOCIO-COMUNICATIVO

WT

KO

Controlli Shank3 Controlli Shank3

Criterio #2

MODALITÀ DI COMPORTAMENTO, INTERESSI E ATTIVITÀ RISTRETTI, RIPETITIVI E

STEREOTIPATI

Self-Grooming

Densità sinaptica

– compromissione qualitativa dell’interazione sociale

(test di approccio sociale) e compromissione qualitativa della comunicazione sociale (emissione ridotta di ultrasuoni nel test di interazione maschio-femmina)

– modalità di comportamento, interessi e attivitàristretti, ripetitivi e stereotipati (alti livelli di self-grooming)

SHANK3

– Valutare la complessa interazione gene-ambiente

– Studiare i pathways neurobiologici alla base dei tre sintomi principali dell’autismo

– Esplorare eventuali interventi terapeutici/comportamentali

Modelli animali :

Verifica di trattamenti Verifica di trattamenti farmacologici:farmacologici:Studi in vivoStudi in vivo

Antagonista mGluR5

Silverman JL et al., Sci Transl Med. 2012 Apr 25;4(131)

NoseNose--toto--Nose SniffingNose SniffingOne mouse sniffs the snout region of the otherOne mouse sniffs the snout region of the other

B6

Dura

tion (

sec)

0

20

40

60

80

100

**

Time in Social ContactTime in Social Contact

BTBR

Silverman JL et al., Sci Transl Med. 2012 Apr 25;4(131)

Modello animale di autismo

Topo di controllo

Comportamenti ripetitivi e stereotipie

Silverman JL et al., Sci Transl Med. 2012 Apr 25;4(131)

Verifica di trattamenti Verifica di trattamenti farmacologici:farmacologici:Studi in vitroStudi in vitro

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

Conclusioni

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