Corso di aggiornamentoAspettando le Olimpiadi delle Neuroscienze 2013Aspettando le Olimpiadi delle Neuroscienze 2013

I misteri del cervello malato

una introduzione teorico-pratica allo studio delle patologie cerebrali

In collaborazione con l’Università degli Studi di Trento, il Centro per la Biologia Integrata (CIBIO) , il Centro

Mente/Cervello (CIMeC) di Rovereto, la Fondazione Museo Civico di Rovereto, l’Università di Trieste, BRAIN, Life

Learning Center UNITS e Science Centre Immaginario Scientifico di Trieste.

I misteri del cervello malato:

una breve introduzione

allo studio delle patologie cerebraliallo studio delle patologie cerebrali

Yuri Bozzi PhD

Laboratorio di Neuropatologia Molecolare - CIBIO

bozzi@science.unitn.it http://www.unitn.it/en/cibio

Il cervello controlla tutte le funzioni del nostro corpo

3

Ippocrate (V-IV sec. a.C.)

“…la malattia sacra: a me sembra esserené più divina né più sacra di altre malattie,

ma piuttosto di origine naturale…”

“… il cervello è la causa di questa malattia…”

4

J.H. Jackson (1835 – 1911)

1870: “A Study on Convulsions”

Esiste un preciso ordine nelle manifestazioni cliniche di un attacco epilettico, che dipende

“Epilessia è il nome per occasionali, improvvise,rapide e locali scariche della materia grigia”

5

cliniche di un attacco epilettico, che dipende dall’ordine con cui vengono colpite differenti aree del cervello

L’attacco epilettico è originato da scariche elettriche in precise zone del cervello

Il termine epilessia indica un insieme di patologie

Alcune date fondamentali

1912: primo farmaco anti-epilettico

1920-1930: elettroencefalogramma

Fenobarbital

EEG normale

6

1920-1930: elettroencefalogramma

Dal 1970: “imaging” cerebraleMRI, fMRI

PET

EEG epilettico

Classificazione delle epilessie (incompleta)

Epilessia Caratteristiche

Sottotipi

Epilessie generalizzate

Bilaterali, simmetriche e senza inizio locale

- Grande male- Assenza- Sindrome di Lennox-Gastaut…

Epilessie Inizio locale - Semplici

Epilessia generalizzata

Epilessia parziale

7

Epilessie parziali(focali)

Inizio locale - Semplici(senza perdita di coscienza)

- Complesse(con perdita di coscienza)

Sindromi epilettiche

Origine e manifestazioni cliniche varie

- Epilessie miocloniche- Crisi febbrili…

Incidenza delle epilessie

Tardive:origine ignota

Infantili:genetiche

L’epilessia colpisce circa 1-2% della popolazione mondiale

8

Elettroencefalogramma (EEG)

normale epilessia

9

L’EEG registra una attività di massa del cervello, impiegando elettrodi superficiali posti in corrispondenza di varie regioni cerebrali

Epilessie genetiche monogeniche (lista incompleta)

Epilessie Gene Proteina

Canalopatie

Canali sodioCrisi febbrili generalizzate familiari (GEFS+)Epilessia mioclonica severa dell’infanzia (SMEI)Convulsioni neonatali benigne familiari

SCN1ASCN1ASCN2A

subunità canale sodiosubunità canale sodiosubunità canale sodio

Canali potassioConvulsioni neonatali benigne familiariAtassia episodica di tipo I con epilessia parziale

KCNQ2,3KCNA1

subunità canale potassiosubunità canale potassio

Canali ligando-dipendenti

10

Canali ligando-dipendentiEpilessia frontale notturna autosomica dominanteCrisi febbrili generalizzate familiari

CHRNA2,4GABRG2

subunità recettore colinergico nicotinicosubunità recettore GABAA

Canali calcioAtassia episodica di tipo II con crisi punta-onda (assenza) CACNA1A subunità canale calcio

Malformazioni corticaliOloprosencefalia, crisi generalizzateSchizencefalia, crisi generalizzateSindrome “double cortex”, crisi generalizzateEterotopia, crisi generalizzate

SHHEMX2DCXFLN1

Sonic hedgehodFattore di trascrizione homeoboxDoublecortinFilamina 1

Altri tipi di epilessiaEpilessia dei lobi temporali LGI1 Leucine-rich glioma inactivated protein

Effetto delle mutazioni nei canali ionici

11

GOF, gain of function (guadagno di funzione)LOF, loss of function (perdita di funzione)

Nat Rev Neurosci. 2004 May;5(5):400-8Genetic mechanisms that underlie epilepsy

Steinlein OK.

Epilessia dei lobi temporali

Epilettogenesi:comparsa dell’epilessia cronica in seguito a mutazione genetica, malformazione congenita o evento traumatico

Esempio: epilessia dei lobi temporali (TLE)

Alterazioni

12

Pitkänen and Sutula, Lancet Neurology 2002

≈ 30% dei pazienti con TLE sviluppano farmaco-resistenza

Alterazioni anatomiche e danno neuronale nel sistema limbico

Epilessia dei lobi temporali e degenerazione dell’ippocampo

Ippocampo umano normale

Ippocampo umano epilettico

Ippocampo umano epilettico

13

normale epilettico(senza sclerosi dell’ippocampo)

epilettico(con sclerosi

dell’ippocampo)

CA1-4: “cornu Ammonis” (aree 1-4)DG: giro dentato (fascia dentata)H: ilo

In alcuni casi, l’epilessia dei lobi temporali è caratterizzata da estesa degenerazione

Malattia di Parkinson - sintomi

• Tremore a riposo

• Postura alterata

• Rigidità muscolare

• Difficoltà ad alzarsi

• Movimenti lenti

• Scrittura incerta

14

• Scrittura incerta

Dr. James

Parkinson

descrisse per primo

la malattia nel 1817

Malattia di Parkinson - neuropatologia

Parkinson normale

15

Nel cervello dei malati di Parkinsonsi osserva la quasi totale scomparsa della substantia nigra

Malattia di Parkinson - neuropatologia

16

Come conseguenza della degenerazione della substantia nigra, la via nigrostriatale degenera

Parkinson e demenza

17

Corpidi Lewy

Le vie dopaminergiche del cervello

18

BASI ANATOMICHE DEL MORBO DI

PARKINSON

Circuiti cerebrali colpiti dalla malattia di Parkinson: i gangli della base

19

Sintesi della dopamina

L-tirosina

tirosinaidrossilasi

20

dopadecarbossilasi

L-dopa

dopamina

Arvid Carlsson: la scoperta della L-DOPA

Arvid Carlsson (1923 - )

Premio Nobelper la Medicina (2000)

Neuroni dopaminergici fluorescenti

reserpina

reserpina+ L-DOPA

21

Neuroni dopaminergici fluorescenti

Modello di sinapsi dopaminergica

(figure tratte dalla Nobel Lecture di Carlsson)

“Risvegli”

22

Oliver Sacks (1933 - ) Professore di Neurologia e Psichiatria

Columbia University, New York

In “Risvegli” Oliver Sacks descrive l’uso

della L-dopa per curare alcuni pazienti che erano

stati colpiti da una epidemia di encefalite letargica

Brain imaging diagnostico

normale Parkinson

23

Ridotta marcatura dei gangli della base, evidenziata con L-dopa radioattiva(18F-dopa)

Terapia del Parkinson – trapianto di cellule nello striato

24

Locus Gene Funzione

Park 1/4 SNCA (αααα-sinucleina) Formazione vescicole sinaptiche

Park 2 Parkin E3 ligasi

Park 3 ? ?

Park 5 UCHL1 Ubiquitin carbossil-terminal esterasi L1

Park 6 PINK 1 Chinasi mitocondriale

Park 7 DJ-1 Risposta stress ossidativo

Park 8 LRRK2 Protein chinasi

Geni associati al Parkinson (2010)

25

Park 9 ATP13A2* ATPasi

Park 10 ? ?

Park 11 GIGYF2* GRB10-INTERACTING GYF PROTEIN 2

Park 12 ? ?

Park 13 HTRA2* HTRA SERINE PEPTIDASE 2

Park14 PLA2G6* Fosfolipasi A2

Park 15 ? ?

Park 16 ? ?

Dati da OMIM (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/omim), aggiornati Novembre 2010

Ruolo dei geni PARK – effetti cellulari

26

Missing pieces in the Parkinson's disease puzzleJA Obeso et al. Nature Medicine 16, 653–661 (2010)

La malattia di Alzheimer

27

Alois Alzheimer(1864-1915)

Disegni raffiguranti le neurofibrille scoperte nel cervellodel primo paziente studiato da Alzheimer (1911)

Degenerazione cerebrale nella malattia di Alzheimer

28

La malattia di Alzheimer è caratterizzata da unaprogressiva ed estesadegenerazione cerebrale

Degenerazione cerebrale progressiva nell’Alzheimer

29

Le vie colinergiche del cervello umano

30

Principali scoperte nella ricerca sull’Alzheimer

31

FAD* familial ADSAD* sporadic AD

Caratteristiche neuropatologiche

placche senili(b-amiloide)

32

ammassi neuro-

fibrillari(tau

fosforilata)

La cascata dell’amiloide: una possibile spiegazione della malattia

33

Geni associati all’Alzheimer

34

Placche e neurofibrille: biomarcatori della malattia di Alzheimer (AD)

35

Importanza dei modelli animali nello studio delle malattie cerebrali

Modello murino di malattia neurologica

Dissezione del cervello

Frazionamento subcellulare e preparazione campione (RNA/proteine)

36

Tecnologie “omiche”

Test di validazione (in vitro, linee cellulari, altri modelli murini, campioni autoptici umani)