NEUROBIOLOGIA DELL’AUTISMO

Maria Luisa ScattoniIstituto 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

COMPONENTE

AMBIENTALE

COMPONENTE

GENETICA

DISTURBI

DELLO

SPETTRO

AUTISTICO

Residential proximity to freeways

Parental Occupational Exposures

Polybrominated diphenyl ethers

SHANK3NLG4CNTNAP2

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 ilneonato viene esposto [alcool etilico, acido valproico (farmaco

antiepilettico), talidomide (farmaco tranquillante ed antiematico; organofosfati ]

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 neicomportamenti sociali e affiliativi (Ossitocina, Vasopressina)

CAUSE DEI DISTURBI DELLO SPETTRO AUTISTICO: SIGNIFICATIVA COMPONENTE GENETICA

1

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 complessità della genetica

alla base dei DSA:2193 genes (99 syndromic autism related genesand 2135 non-syndromic autism related genes),4617 Copy Number Variations (CNVs) and 158linkage regions associated with ASD

Holt and Monaco, EMBO Mol Med. 2011Betancur 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 Syndrome15q11.2 (UBE3A) Angelman SyndromeXq27.3 (FMR1) Fragile X Syndrome

increase in risk for ASDs

2p16.3 (NRXN1) ASD, ID, language delay, SCZ3p13 (FOXP1) ID, ASD22q13.33 (SHANK3) ASDXp22.32-p22.31 (NLGN4X) ASD, ID, TS, ADHDXq13.1 (NLGN3) ASD

1q42.2 (DISC1)7q22.1 (RELN)7q36.3 (EN2)

“One-to-many” phenomenon

Identical highly penetrant variants in differentindividuals carry large effects but for a wide rangeof outcomes, including ASD, epilepsy, intellectualdisability and schizophrenia

“Many-to-one” relationship

The number of genes predicted to carry risk forASD has steadily increased (now reaching well intohundreds) with no single locus accounting formore than 1% of cases

Stuart, the older but smaller of the twobrothers, can speak. But he’s still verylimited in how he communicates.

Timmy is non-verbal and tends to wanderthe house searching for things to “getinto”.

Famiglia con una mutazione nel gene NLG 4

Analisi dei trascritti (trascrittomica)

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

New Tool Predicts Autism Risk GenesA computational technique will help scientists to better identify genes, developmental stages of the brain, and cellular functions implicated in the disorder

Scientists at the Simons Foundation andPrinceton University have developed acomputational technique that can sift throughmore than 25,000 genes in the human genomeand rank them based on the probability thatthey are associated with autism spectrumdisorder (ASD). The tool identified hundreds ofpreviously unreported candidate autism riskgenes, along with networks, cellular functionsand developmental stages of the brain thatplay a role in ASD.

Krishnan A*, Zhang R*, Yao V, Theesfeld CL, Wong AK, Tadych A,Volfovsky N, Packer A, Lash A, Troyanskaya OG.(2016) Genome-wideprediction and functional characterization of the genetic basis ofautism spectrum disorder. Nature Neuroscience.

http://asd.princeton.edu/

A total of 21 university-affiliated clinical sites

SPARK will collect information and DNA for genetic analysis from 50,000 individuals with

autism — and their families

Alterazioni nel Sistema Immunitario

2

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/b-catenina degliastrociti perivascolari

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

ENGRAILED 2: regola la sensibilità a fattori esogeni che attraversano la placenta dallacircolazione materna (Benayed et al., Am J Hum Genet 2005)

MET receptor tyrosine kinase (provvede al mantenimento di una certa tolleranzacontro le proprie cellule – self-tolerance): suo polimorfismo (ridotti livelli dellaproteina) è stato significativamente associato alla presenza di anticorpi maternidiretti contro le cellule cerebrali fetali trovati nelle madri di bambini con autismo(Heuer et al., Translational Psychiatry 2011)

Gut-brain connection

Dati promettenti dai modelli animali…

Penzes et al., Nat Neuroscience 2011

Dendritic spine pathology in neuropsychiatric disorders

3

Variazioni anchenel numero di neuroni

Il peso del cervello è maggiore nei

bambini autistici

Courchense E. et al, Jama, 2011

Corteccia prefrontale:

n = 7 n = 6

tra i 2 e i 16 anni

Variazioni anchenel numero di neuroni

Nella corteccia prefrontale si osserva un maggior numero di neuroni

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

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

Courchense E. et al, Jama, 2011

PROBLEMI DI CONNETTIVITÀ CEREBRALENEGLI ADULTI CON DSA

Neul JL, Nature 17 Nov 2011Dosenbach, 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

ADULTI

IPERCONNETTIVITÀ NEI BAMBINI CON DSA

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

Squilibrio eccitazione-inibizione

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

ESPERIMENTI DI OPTOGENETICA

Squilibrio eccitazione-inibizione

4

GABA

• durante la fase embrionale eperinatale: this neurotransmitterdepolarizes targeted cells andtriggers calcium influx• in the mature brain GABA actsas an inhibitory transmitter

REGOLA molti processi durantelo sviluppo:

Proliferazione cellulareMigrazioneDifferenziamentoMaturazione sinapticaMorte cellulare

Modelli animali in cuiè stata rilevata

un’alterazione delbilanciamento E/I

Nonostante tutte queste osservazioni non esistonodei marcatori precoci per l’autismo perchè:

• Il disturbo si sviluppa tra il periodo pre-natale e la prima adolescenzaquindi si possono sviluppare interazioni tra fattori di rischio multipli

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

• Biomarcatori trovati sono spesso associati con altri disturbi delneurosviluppo

Holt and Monaco, EMBO Mol Med. 2011

Importanza degli studi preclinici

(modelli animali GENETICI)

Candidate Gene Mutant

Mouse

Behavioral Phenotyping

Developmental Trajectory

Biological Mechanisms

Therapeutic Interventions

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

DatiClinici

With gratitude toGeri 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 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 chamber

Start location

Empty wire cup

“Novel object”Novel mouse

photobeam

motion

detectors

Weighted

cup

prevents

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 compromissionequalitativa della comunicazione sociale (emissioneridotta 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 basedei tre sintomi principali dell’autismo

– Esplorare eventuali interventiterapeutici/comportamentali

MODELLI ANIMALI :

Verifica di trattamenti farmacologici:Studi in vivo

Antagonista mGluR5

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

Nose-to-Nose SniffingOne mouse sniffs the snout region of the other

B6

Dur

atio

n (s

ec)

0

20

40

60

80

100

**

Time 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 farmacologici:Studi in vitro

L’autismo è contraddistinto da una grande eterogeneità che rendedifficoltosa la validazione di teorie eziopatologiche capaci di sintetizzare gliaspetti cognitivi, comportamentali e fisiologici.

Approssimativamente 67 milioni di persone nel mondo sono affette daautismo, più di quante ne colpiscano i tumori, il diabete e l’AIDS messiinsieme.

Non esiste una cura per l’autismo ma la diagnosi e un intervento precoce nemigliorano l’esito

la figura del PEDIATRA è indispensabile

Conclusioni

Grazie per l’attenzione