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Aspetti neurocomportamentali e possibili approcci terapeutici del Disturbo dello Spettro Autistico nel modello roditore BTBR T+Itpr3tf/J (BTBR)
(Università della Calabria, 2024-04-29) Olivito, Ilaria; Angelone, Tommaso; Facciolo, Rosa Maria
Autism Spectrum Disorder (ASD) is a complex neurodevelopmental syndrome characterized by a diverse range of clinical manifestations, encompassing social deficits and repetitive stereotypical behaviors. These symptoms often coexist with psychiatric and medical comorbidities, adding intricacy to the pathological profile of the disorder. The pervasive prevalence and enduring symptoms across the lifespan underscore the significant public health impact of ASD. However, the underlying pathophysiological mechanisms remain poorly understood, and there is a current lack of specific targeted medications. Given the intricate and heterogeneous nature of the symptomatology associated with this syndrome, the adoption of a multifaceted approach emerges as a valuable strategy to deepen the comprehension of its pathophysiology and advance more effective therapeutic interventions. Within these strategic considerations, inducing a ketogenic metabolic state presents a promising avenue, capable of mitigating abnormal behaviors while concurrently ameliorating psychological and sociological aspects across various neurological conditions. This approach operates through diverse molecular pathways, including the modulation of the gut microbiota, identified as a pivotal center for brain regulation. In the context of addressing these challenges, the current doctoral project aims to significantly contribute to the comprehension of ASD's pathophysiology. This is achieved through a comprehensive exploration of behavioral aspects, molecular dynamics, the association with the gut microbiota, and potential therapeutic strategies. Noteworthy is the adopted methodological approach, which involves analyzing the effects of ketosis in the BTBR rodent model of autism, encompassing both in vivo and in vitro assessments. This analysis includes evaluations of behavioral performance, key molecular mechanisms, and integration with the assessment of the gut microbiota. Results from an initial in vivo study demonstrated that the adoption of a ketogenic diet (KD) notably mitigated social deficit (p=0.002), repetitive behaviors (p<0.001), and memory impairments (p=0.001) in BTBR mice. These behavioral enhancements were associated with reduced levels of tumor necrosis factor-alpha (TNF-α), interleukin (IL)-1β, and IL-6 in the plasma (p=0.007; p<0.001, and p=0.023, respectively), prefrontal cortex (PFC; p=0.006; p=0.04, and p=0.03), and hippocampus (HIP; p=0.02; p=0.09, and p=0.03). Furthermore, the KD mitigated oxidative stress, evidenced by modifications in lipid peroxidation levels (TBARS) and superoxide dismutase (SOD) activity in the brain areas of BTBR mice. Of particular interest, the KD positively influenced beneficial microbiota (Akkermansia and Blautia) and normalized aberrant levels of Lactobacillus in the feces of BTBR mice, underlining its neurophysiological impact through the modulation of the gut microbiota. The correlation between gut microbiota modulation and behavioral changes is substantiated by a meticulous analysis of the effects of five Lactobacillus strains in a study conducted during the planned abroad period within the doctoral project. This specific investigation unveiled a differential impact of the strains L. salivarius - LS7892, L. gasseri - LG6410, L. plantarum - LP14D, L. reuteri - LR92, and L. camelliae - LC LMG 24277 on social behavior, motor activity, and anxiety in BTBR mice. Particularly noteworthy, LS7892 emerged as a potential probiotic for ASD treatment among the examined strains. Following in vitro investigations revealed alterations in the cytoskeletal and synaptic organization in PFC and HIP neurons of BTBR, linked to fluctuations in Brain-Derived Neurotrophic Factor (BDNF) expression levels. The induction of a ketogenic state exhibited a beneficial modulation of the neural network, stabilizing compromised connections, and significantly increasing BDNF levels (p<0.001). In conclusion, the outcomes of this doctoral project underscore the significant relevance of the ketogenic approach and the modulation of the gut microbiota in the context of ASD. This research contributes to a more profound understanding of the pathophysiological foundations, offering innovative perspectives for the development of personalized and targeted therapeutic approaches.
Effetti neuro-comportamentali del rame nei teleostei: ruolo dell'HSP90 e del sistema ORXergico
(2012-11-29) Zizza, Merylin; Cerra, Maria Carmela; Canonaco, Marcello; Facciolo, Rosa Maria
Tra i metalli, il rame (Cu2+), sebbene essenziale per il corretto metabolismo corporeo, può risultare un potente agente tossico in grado di promuovere pericolosi eventi nocivi, soprattutto nei pesci. Ad oggi, sono poche le informazioni sulla neurotossicità ramedipendente e le risposte attivate per la difesa e riparazione da tale tossicità. Su questi presupposti, nel presente lavoro sono stati investigati gli effetti del cloruro di rame (CuCl2), a diverse concentrazioni e tempi di esposizione, sia a livello comportamentale che neuronale nel teleosteo d’acqua dolce, Carassius carassius, e marino, Thalassoma pavo. Da un punto di vista molecolare, l’attenzione è stata indirizzata alle variazioni trascrizionali dell’Heat Shock Protein 90 (HSP90), chaperon con ruolo critico sia in condizioni fisiologiche che di stress. Alla luce di recenti evidenze che propongono il sistema orexinergico come cruciale nella coordinazione delle reazioni fisiologiche allo stress, è stata valutata anche la capacità dell’orexina-A (ORX-A), somministrata ogni giorno intraperitonealmente (10 ng/g peso corporeo) durante l’esposizione al Cu2+, di modulare gli effetti neuro-comportamentali di tale metallo nei suddetti teleostei. Il trattamento a breve termine (48h) con due concentrazioni di metallo, selezionate mediante screening preliminari in Carassius carassius (1.45 mg/L e 0.30 mg/L CuCl2) e Thalassoma pavo (1.07 mg/L e 0.25 mg/L CuCl2), ha causato evidenti alterazioni comportamentali. In particolare, il feeding è risultato notevolmente (p<0.001; p<0.01) ridotto, vs i controlli, in Carassius carassius e in Thalassoma pavo, rispettivamente. Nel primo pesce, la concentrazione di 1.45 mg/L ha causato anche una moderata (p<0.05) riduzione dello swimming, accompagnata da un simultaneo incremento del resting state. In modo analogo, in Thalassoma pavo, la riduzione dello swimming durante l’esposizione alla più bassa concentrazione, si è tradotta in un concomitante incremento del resting state. Nei teleostei marini, esposti a 1.07 mg/L di metallo, l’assenza di effetti significativi sul rest era dovuta alla comparsa di abnormal motor behaviors, caratterizzati da perdita di equilibrio e movimenti repentini ed improvvisi. In Carassius carassius tali atteggiamenti insorgevano solo moderatamente dopo 48h di esposizione alla alta concentrazione. Inoltre, durante l’esposizione, entrambi i teleostei mostravano una considerevole tendenza a nuotare verso la superficie (swimming towards surface). Accanto agli effetti sul comportamento, l’Amino Cupric Silver Stain ha anche mostrato segni di neurodegenerazione a carico dei neuroni, soprattutto nel nucleo laterale del telencefalo dorsale (Dl) degli esemplari esposti alle alte concentrazioni di contaminante. Parallelamente, l’ibridazione in situ ha fatto registrare nell’encefalo di Thalassoma pavo, trattato con la concentrazione più alta, un’up-regulation dell’HSP90 in differenti nuclei, come Dl (+87%). In Carassius carassius la risposta trascrizionale è stata invece meno evidente, con moderati incrementi dell’mRNA rinvenuti, ad esempio, nella valvola del cervelletto (VCe; +31%), in seguito a trattamento con la più alta concentrazione che causava anche moderate down-regulations a livello del telencefalo. E’ stato interessante notare che molte delle alterazioni comportamentali venivano ridotte dalla somministrazione di ORX-A, soprattutto a livello del feeding di entrambi i teleostei. In Carassius carassius si è potuto osservare, inoltre, una riduzione degli abnormal motor behaviors e dello swimming towards surface. Anche a livello neurodegenerativo, l’ORX-A è stata in grado di prevenire i danni indotti dal Cu2+, come nel Dl di Carassius carassius esposto alla più alta concentrazione. Dal punto di vista molecolare, l’ORX-A ha prevenuto la down-regulation indotta dal metallo in Dl, favorendo addirittura una moderata up-regulation del trascritto in TLo (+32%) di Carassius carassius esposto a 1.45 mg/L di CuCl2, rispetto ai controlli. Anche in Thalassoma pavo, il neuropeptide induceva una significativa up-regulation dell’espressione di HSP90, come nel nucleo laterale del telencefalo ventrale (Vl; +92%) durante esposizione alla concentrazione più bassa di CuCl2. Quando i pesci esposti al Cu2+ per 48h sono stati trasferiti in acqua priva di metallo, molti deficit neuro-comportamentali erano, almeno parzialmente, ripristinati. Inoltre, quasi tutti i nuclei encefalici di entrambi i teleostei, esposti alla più alta concentrazione, hanno mostrato incrementi significativi dell’mRNA per l’HSP90, sia rispetto al precedente trattamento che ai controlli. Alla luce dei dati ottenuti e in virtù del fatto che la bassa concentrazione aveva fatto rinvenire alterazioni neuro-comportamentali più lievi, in alcuni casi recuperabili, è stato interessante verificare gli effetti di questa stessa concentrazione in un trattamento cronico (21 giorni). Nel corso di tale trattamento, il feeding di Carassius carassius era drasticamente ridotto, rispetto ai controlli, a partire dal giorno 7 di esposizione mentre in Thalassoma pavo la riduzione diveniva elevata al giorno 14. A livello encefalico, si riscontrava una più estesa degenerazione che colpiva molti più campi neuronali, compreso il nucleo diffuso del lobo inferiore (NDLI). Al contempo, il trattamento cronico era responsabile di una generalizzata up-regulation dell’HSP90 in Thalassoma pavo e di un effetto trascrizionale sito-specifico in Carassius carassius. In quest’ultimo teleosteo, infatti, si riportavano down-regulations nel telencefalo (~-30%) e in NDLI (-55%), ed upregulations in TLo (+30%), VCe (+43%) e nel corpo del cervelletto (CCe; +52%). La somministrazione di ORX-A al 21 giorno, sebbene causasse un’attenuazione degli effetti del Cu2+ sul comportamento, non era però capace di ridurre i danni neuronali e, a livello trascrizionale, non influenzava in modo efficiente l’espressione dell’HSP90 Nel complesso, i risultati di questo lavoro di Dottorato forniscono importanti evidenze degli effetti neuro-comportamentali del Cu2+ in Carassius carassius e Thalassoma pavo, sottolineando il coinvolgimento dell’HSP90 nei meccanismi di protezione e riparazione innescati a livello encefalico. In aggiunta a ciò, per la prima volta, si suggerisce l’implicazione del sistema ORXergico nell’attivazione di risposte adattative allo stress indotto dal Cu2+, sia nei teleostei marini che d’acqua dolce