presentazione pisani

““Modelli sperimentali di distonia: Modelli sperimentali di distonia:

implicazioni per la patogenesi”implicazioni per la patogenesi”

Antonio PisaniAntonio Pisani

Clinica NeurologicaClinica Neurologica, , Università di Roma “Tor Vergata”; Università di Roma “Tor Vergata”;

Fondazione Santa Lucia, IRCCS RomaFondazione Santa Lucia, IRCCS Roma

XLIXLICongresso Società Italiana di NeurologiaCongresso Società Italiana di Neurologia

Catania, 25 Ottobre 2010Catania, 25 Ottobre 2010

Associazione Italiana di Neuropatologia- AINPAssociazione Italiana di Neuropatologia- AINP

Prima che la DBS diventi l’unica scelta....Prima che la DBS diventi l’unica scelta....

Trattamento farmacologico: cosa abbiamo a Trattamento farmacologico: cosa abbiamo a disposizione?disposizione?

ConsiderazioniConsiderazioni

♦ Al momento non esiste trattamento efficace, nè esiste un modello sperimentale del tutto adeguato

♦ Non vi è reale evidenza di alterazioni neuropatologiche nelle distonie primarie

Approccio multidisciplinare Approccio multidisciplinare

Perché lo studio dei modelli animaliPerché lo studio dei modelli animali

♦ La scoperta di molteplici mutazioni genetiche ha portato alla creazione di modelli genetici di patologia.

♦ La maggior parte di questi modelli non presentano evidenti manifestazioni fenotipiche di distonia, nè perdita neuronale in specifiche aree cerebrali. Tuttavia, sono state riscontrate anomalie motorie latenti e chiare alterazioni di plasticità sinaptica, suggestive di un’alterazione a livello dei circuiti dei gangli della base.

Decifrare il ruolo delle Decifrare il ruolo delle

mutazioni genetiche mutazioni genetiche

nella distonianella distonia

Rosetta Stone,British Museum, London

Modelli animali

LeDoux, in press

Modelli FarmacologiciModelli Farmacologici

Modelli con mutazioni spontaneeModelli con mutazioni spontanee

Modelli geneticiModelli genetici

Knockouts selettivi di torsinAKnockouts selettivi di torsinA

Strategies:♦ Transgenic

• DAT-Cre

♦ Viral• AAV-Cre

Cre TH

Cre TH

DAT-Cre

AAV8 Cre

Modelli murini di DYT1 Distonia

Knock-out Knock-down

Wild-type

Cortex-, Cerebellum-,

Striatum-, dopaminergic neuron-specific

Knock-out of Dyt1

∆GAG Knock-in Mice

DYT1: Early-onset generalized torsion dystonia DYT1: Early-onset generalized torsion dystonia (Oppenheim Dystonia)(Oppenheim Dystonia)

♦ Eredità autosomica dominante con una penetranza ridotta(~30%, 70% asintomatici)

♦ Maggior parte dei casi causata da delezione GAGdel gene DYT1 su cromosoma 9q34, che determina perdita di residuo di acido glutammico nella proteina TorsinA (Ozelius et al., Nature Genetics, 1997)

♦ No evidenza di neurodegenerazione

♦ “Tipico” fenotipo DYT1 :- early-onset (< 28 anni), esordio ad un arto; frequente generalizzazione;

♦ No trattamenti curativi

♦ Topi transgenici che esprimono human mutant torsinA (hMT) o human Topi transgenici che esprimono human mutant torsinA (hMT) o human wild-type (hWT) torsinA. wild-type (hWT) torsinA.

♦ Topi hMT mice non manifestano evidente distonia, ma presentano Topi hMT mice non manifestano evidente distonia, ma presentano alterazioni di apprendimento motorioalterazioni di apprendimento motorio

CMV transgenic mouse modelCMV transgenic mouse model

Motor Learning in TorsinA transgenic miceMotor Learning in TorsinA transgenic mice

N. Sharma, 2005

La plasticità sinaptica come endofenotipo specifico La plasticità sinaptica come endofenotipo specifico per la DYT1 dystoniaper la DYT1 dystonia

Motor learningMotor learning Synaptic plasticitySynaptic plasticity

Analisi della fisiologia striataleAnalisi della fisiologia striatale

Ipotesi “striatale” di distoniaIpotesi “striatale” di distonia

♦ Lesioni ischemiche o meccaniche dello striato causano distonia (Bhatia and Marsden 1994)

♦ Blocco farmacologico acuto dei recettori D2 striatali causa distonia

♦ La distonia è spesso manifestazione di malattia di Parkinson

Striatal SignalingStriatal Signaling

♦ Glutamatergic afferents from cortex

♦ Dopaminergic afferents from SN

♦ Cholinergic (and other) interneurons

♦ GABAergic efferents

Ach

Glutamatergic input from Cortex

Dopaminergic input from SNc

Direct Pathway

Indirect Pathway

Putamen

GABA

GABA

GABA

Methods: coronal slice preparation and morphologyMethods: coronal slice preparation and morphology

Methods: parasagittal slice preparation and morphology

Confocal microscope image of a spiny neuron from a DYT1 mutant mouse, filled during electrophysiological recordings with biocytin

Medium spiny neuron Medium spiny neuron

Bidirectional long-term plasticity at corticostriatal synapsesBidirectional long-term plasticity at corticostriatal synapses

HFS

Time (sec)

-1000 0 1000 2000 3000 4000

40

80

120

160

200

240

EP

SP

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l)

0

20

LFS

HFS

= LTD= LTD

LTPLTP

Bidirectional impairment of synaptic plasticity in hMT mice

Martella et al., 2009

Martella et al., 2009

Bidirectional impairment of synaptic plasticity in hMT mice

a a ““loss of inhibitionloss of inhibition”” characterizes the impairment of synaptic plasticity characterizes the impairment of synaptic plasticity

Interim summaryInterim summary

Quali meccanismi alla base di questa Quali meccanismi alla base di questa “loss of inhibition”?“loss of inhibition”?

DA

LTP

LTD

HFS

Cholinergic Interneuron

Medium Spiny Neuron

DA

enhanced LTP

no LTD

HFS

Pisani et al., 2006

Interactions between

Medium Spiny Neuron

and Cholinergic Interneuron

Pisani et al., 2007

Role of endogenous acetylcholine

Martella et al., 2009

Role of endogenous acetylcholine: treatment with (Artane®)

Martella et al., 2009

Martella et al., 2009

Lowering ACh tone rescues SD

Increased AChE activity

In collaboration with E. Cacci and S. Biagioni, University of Rome “La Sapienza”

Conclusioni

♦ In topi hMT, con torsinA mutata, le sinapsi corticostriatali glutamatergiche mostrano aumentata tendenza alla facilitazione (LTP-like), associata a perdita di meccanismo inibitori (LTD and SD-like).

♦ L’incapacità di ristabilire i livelli di attività sinaptica di base possono indicare la perdita di capacità di selezionare tra pattern motori competitivi e quindi rendere conto del cosiddetto fenomeno dell “overflow”.

Conclusioni Conclusioni

♦ I modelli animali sono essenziali nel campo dei disordini del movimento per esplorare singoli momenti patogenetici e per valutare l’efficacia di farmaci selettivi per specifici target molecolari.

♦ I dati presentati possono rappresentare un correlato cellulare per l’alterazione di plasticità sinaptica osservata nei portatori sani di mutazione DYT1.

♦ Inoltre, forniscono una razionale spiegazione per l’efficacia terapeutica dei farmaci anticolinergici.

Università di Roma “Tor Vergata”Università di Roma “Tor Vergata”

Giorgio BernardiGiusy Martella Paola PlataniaGrazia Madeo

Tommaso Schirinzi

Fondazione Santa Lucia, RomaFondazione Santa Lucia, Roma

Paola BonsiGiuseppe Sciamanna

Annalisa TassoneGeorgia MandolesiFrancesca Puglisi

Vladimiro Batocchi

A special thank to our Collaborators!

University of Alabama at Birmingham, USADavid G. Standaert,

Yuking Li

Harvard Medical School, USANutan Sharma, Xandra O. Breakefield

CEINGE, ItalyAlessandro Usiello

Karolinska Inst., SwedenGilberto Fisone