Obiettivo primario delle ricerche condotte dal gruppo che opera nel laboratorio "PRISM: Physiological Regulation in Sleeping Mice" del Dipartimento di Scienze Biomediche e Neuromotorie (DIBINEM), sede operativa Fisiologia, è lo studio dei processi di regolazione fisiologica in relazione alle diverse fasi del ciclo veglia-sonno, in topi geneticamente modificati.
Nel laboratorio sono state sviluppate negli anni passati diverse linee di ricerca: a) studio dei flussi ematici periferici; b) studio del circolo cerebrale: aspetti microcircolatori, permeabilità della barriera ematoencefalica, meccanismi di controllo delle variazioni del flusso ematico; c) studio dell'interazione tra controllo centrale e controllo baroriflesso delle variabili cardiovascolari (pressione arteriosa, frequenza cardiaca). Le ricerche sono state condotte in condizioni fisiologiche e fisiopatologiche (ipertensione, obesità, narcolessia), in diversi modelli animali (coniglio, ratto, agnello, topo) e su soggetti umani.
Le ricerche attualmente in corso sono svolte nell'ambito della genomica funzionale cardiorespiratoria, in cui gli studi fisiologici di caratterizzazione cardiorespiratoria vengono condotti su modelli animali (in particolare il topo), di cui sia noto il background genetico. Sono utilizzati ceppi di topi geneticamente modificati, in cui viene valutata l'associazione tra mutazione genica e variazioni nel controllo cardiorespiratorio. In questi studi la valutazione dell'effetto dello stato comportamentale sulle variazioni cardiorespiratorie circadiane è particolarmente importante perché la mutazione del genoma, oltre a comportare direttamente modificazioni delle variabili cardiorespiratorie, potrebbe modificare il loro profilo circadiano anche indirettamente, tramite l'alterazione del ciclo veglia-sonno.
Nel laboratorio "PRISM: Physiological Regulation in Sleeping Mice" del Dipartimento di Scienze Biomediche e Neuromotorie (DIBINEM) è stata sviluppata una tecnica combinata grazie alla quale è possibile registrare la pressione arteriosa ed in contemporanea analizzare lo stato comportamentale nel topo. Il segnale di pressione arteriosa viene ottenuto attraverso un sistema telemetrico basato sull'utilizzo di un catetere intravascolare connesso ad un trasmettitore radio. La discriminazione dello stato comportamentale è basata sull'acquisizione via cavo dei segnali elettroencefalografici ed elettromiografici.Viene monitorata anche l'attività respiratoria in maniera non invasiva, mediante pletismografia. L'associazione della registrazione dell'attività elettromiografica diaframmatica permette di discriminare le apnee centrali da quelle ostruttive. La temperatura corporea viene monitorata mediante un rilevatore impiantato sottocute e un trasmettitore wireless. Recentemente è stata messa a punto una tecnica che consente la somministrazione di farmaci per via intraperitoneale senza manipolazione dell'animale; infine, l'impianto di microcannule intracerebroventricolari permette la somministrazione di farmaci direttamente nel tessuto cerebrale.
I progetti di ricerca attualmente in corso sono condotti su:
1) Topi con alterazione genetica della trasmissione orexinergica
Le orexine sono neuropeptidi selettivamente espressi in neuroni ipotalamici; sono principalmente coinvolti nella regolazione del ciclo veglia-sonno, ma risultano implicati anche nel controllo dei processi metabolici e termoregolatori, e nella modulazione di funzioni autonomiche, come la regolazione cardiovascolare. Sia in soggetti umani che in diversi modelli animali la perdita di questi neuroni è correlata alla comparsa dei sintomi della narcolessia, patologia caratterizzata da eccessiva sonnolenza diurna e cataplessia. Vengono attualmente studiati due diversi gruppi di topi narcolettici, congenici al ceppo C57Bl/6J:
1-topi transgenici (TG) orexina-ataxina3. In questi animali frammento di 3,2 kb nella regione 5' a monte del gene umano della prepro-orexina è stato impiegato come promotore per esprimere un transgene tossico selettivamente nei neuroni contenenti orexina. Il transgene tossico è costituito dal cDNA dell'ataxina 3 umana troncato allo N terminale. Tale transgene tossico è stato isolato da un paziente affetto dalla malattia di Machado-Joseph (atassia spino-cerebellare di tipo 3) ed include sequenze di poliglutamina abnormemente espanse. Nei topi transgenici orexina-ataxina 3, i neuroni contenenti orexina diminuiscono gradualmente in numero fino a scomparire quasi completamente all'età di 15 settimane, mentre le altre popolazioni neuronali ipotalamiche sono preservate. Gli animali conseguentemente sviluppano un fenotipo narcolettico dopo le prime settimane di vita.
2-topi Knock-Out (KO) per entrambe le orexine; questi animali sono congenitamente privi di orexinema le restanti funzionalità dei neuroni orexinergici sono preservate. La trasmissione orexinergica è dunque impedita fin dal periodo pre-natale
Studi su questo modello vengono condotti in collaborazione con:
Prof. Pietro Cortelli, DIBINEM, UNIBO http://www.unibo.it/docenti/pietro.cortelli
Prof. Giuseppe Plazzi, DIBINEM, UNIBO http://www.unibo.it/docenti/giuseppe.plazzi
Dott. Mauro Manconi, Neurocentro della Svizzera Italiana, Lugano, Svizzera
Dr. G. Cohen, Dept. of Women and Child Health, Neonatal Unit, Karolinska Institutet, Stoccolma, Svezia
2) Topi con alterazione genetica della trasmissione istaminergica
I neuroni istaminergici del nucleo tuberomammillare ipotalamico sono un importante bersaglio dei neuroni orexinergici e sono la fonte di proiezioni istaminergiche diffuse, che giocano un ruolo chiave nel mantenimento della veglia, nel controllo autonomico ed endocrino e nel metabolismo energetico. I pazienti narcolettici mostrano ridotti livelli di istamina nel liquor (Bassetti, 2010). Il sistema orexinergico e quello istaminergico interagiscono nel controllo della veglia (Anaclet, 2009). E' importante quindi valutare il ruolo di alterazioni della trasmissione istaminergica nel modulare lo spettro di comorbidità della narcolessia.
Vengono a questo copo studiati topi knock-out per l’istidina decarbossilasi (Ohtsu 2001), con deficienza congenita di istamina.
I topi knock-out per l’istidina decarbossilasi sono incrociati con i topi transgenici orexina-ataxina, in modo da ottenere doppi mutanti privi sia della via di segnale istaminergica sia di quella orexina. Questo approccio è volto a comprendere il ruolo della trasmissione istaminergica nel determinare o modulare il fenotipo veglia-sonno e lo spettro di comorbidità della narcolessia con cataplessia.
Studi su questo modello vengono condotti in collaborazione con:
Prof. Hiroshi Ohtsu, Applied Quantum Medical Engineering, Graduate School of Engineering, Tohoku University, Sendai, Japan
Prof. Jian-Sheng Lin, Physiologie intégrée du système d'éveil, Centre de recherche en neurosciences de Lyon, INSERM U1028-CNRS UMR 5292 Faculté de Médecine, Université Claude Bernard, Lyon, France.
Dr. G. Cohen, Dept. of Women and Child Health, Neonatal Unit, Karolinska Institutet, Stoccolma, Svezia
3) Topi con iper-espressione genetica di lamina B1 (PLP-LMNB1Tg)
La la lamina B1 é una proteina dei filamenti intermedi espressa a livello nucleare. E' stato dimostrato che la duplicazione e conseguente iper-espressione del gene che codifica per la lamina B1 rappresenta la base genetica della leucodistrofia demielinizzante autosomica dominante ad esordio nell'adulto (ADLD, codice OMIM #169500), una rara patologia umana attualmente non curabile. La ADLD si manifesta nella quarta-quinta decade di vita con disturbi piramidali e cerebellari e demielinizzazione simmetrica del sistema nervoso centrale. La malattia è lentamente progressiva e fatale (OMIM database, www.omim.org; Nat Genet. 2006;38:1114-23). Un aspetto fondamentale della ADLD è costituito da disturbi del sistema nervoso autonomo, che sono tipicamente tra i primi a manifestarsi ed includono un difetto selettivo del controllo simpatico, con ripercussioni cardiovascolari (Auton Neurosci. 2011;159:123-6). Recentemente, è stato dimostrato che l'iperespressione della lamina B1 limitata ai soli oligodendrociti è sufficiente a ricapitolare il fenotipo motorio ed il quadro anatomo-patologico della ADLD umana nel ceppo di topi PLP-LMNB1Tg (J Clin Invest. 2013;123:2719-29). Questo modello di topi viene ora studiato per valutare se presenti anche i disturbi autonomici caratteristici della ADLD umana.
Studi su questo modello vengono condotti in collaborazione con:
Prof. Pietro Cortelli, DIBINEM, UNIBO http://www.unibo.it/docenti/pietro.cortelli
4) Topi esposti in età perinatale alla nicotina e ai suoi derivati
L’esposizione durante il periodo perinatale a tossine ambientali, come quelle presenti nel fumo di sigaretta, può portare all’insorgenza di riprogrammazioni permanenti che si riflettono sulla struttura anatomica e sulle funzioni fisiologiche nell’adulto. In questo studio si valutano gli effetti a lungo termine sul fenotipo ipnico e sulla reattività allo stress indotti nel topo dall’esposizione perinatale alla nicotina e suoi metaboliti. Gli esperimenti stati condotti su topi C57Bl/6J: le madri sono state trattate con nicotina o metaboliti da prima dell’accoppiamento fino allo svezzamento della prole. Il fenotipo ipnico e la reattività allo stress dei figli vengono valutati quando gli animali hanno raggiunto l’età adulta (17 settimane).
Studi su questo modello vengono condotti in collaborazione con:
Dr. G. Cohen, Dept. of Women and Child Health, Neonatal Unit, Karolinska Institutet, Stoccolma, Svezia
