UNIVERSITA’ DI BOLOGNA

DIPARTIMENTO DI SCIENZE BIOMEDICHE E NEUROMOTORIE

Sandra Guidi

Difetti di neurogenesi durante finestre critiche dello sviluppo fetale

II Convegno Sindrome di Down dalla diagnosi alla terapia

Napoli, 19-20 Ottobre 2018

Sviluppo del sistema nervoso centrale

Neurogenesi

Cellule staminali neurali

Neuroni

Cellule gliali

Astrociti

Oligodendrociti

La neurogenesi nell’uomo è un evento prevalentemente prenatale

CX: corteccia; DG: giro dentato dell’ippocampo; CB: cervelletto

Stagni et al., Frontiers in Behavioral Neuroscience, 2015

Cervello umano adulto Volume: 1350 cm3

Superficie: 1820 cm2

Spessore corticale medio: 2,7 mm

100 bilioni di neuroni

Ogni neurone ha circa 7000 connessioni sinaptiche

Fibre nervose mielinizzate: 150000 km

Budday S., Frontiers in Cellular Neuroscience, 2014

Il cervello di individui con Sindrome di Down (SD) mostra una riduzione volumetrica del

20% rispetto a soggetti euploidi della stessa età.

Una ridotta neurogenesi potrebbe essere la causa della riduzione del volume cerebrale?

Zone cerebrali analizzate:Regione Ippocampale

CervellettoCorteccia cerebrale

Età: 17-22 settimane di gestazione

Nei feti con SD la neurogenesi e il differenziamento neuronale sono

compromessi nella regione ippocampale.

GM: eminenza gangliareDG: giro dentatoHIPP: ippocampoPRES: presubiculumEC: corteccia entorinalePHG: giro paraippocampaleTH: ventricolo laterale

La regione ippocampale è una complessa regione cerebrale che svolge unimportante ruolo nella formazione della memoria episodica e dichiarativa. E’coinvolta nel processo di consolidamento della memoria da breve a lungotermine.

Guidi et al., Brain Pathology, 2008

TH

GM

PRES

EC

HIPP

DG

PHG

GM: eminenza gangliareDG: giro dentatoHIPP: ippocampoPRES: presubiculumEC: corteccia entorinalePHG: giro paraippocampaleTH: ventricolo laterale

Ki-67: proteinanucleare associataalla proliferazionecellulare

EU SD EU SD

Riduzione della neurogenesi nei feti con SD

Guidi et al., Brain Pathology, 2008

Le zone ventricolari dell’ippocampo mostrano, in ogni loro strato, una ridottadensità di cellule proliferanti nel cervello di feti con SD rispetto agli euploidi.

-60% -37%

Riduzione della neurogenesi nei feti con SD

Eminenza gangliare

DSControl

DG: giro dentatoGM: eminenza gangliareSUB: subiculumH: ilo

Ki-67

Cyclin A

Contestabile et al., Hippocampus, 2007

L’eminenza gangliare è una zona ventricolare fortemente neurogenica.

GL: strato granulare fascia dentataHL: iloMS: zona di migrazione cellulare

Contestabile et al., Hippocampus, 2007

Cyclin A: proteinaespressa durante la faseS del ciclo cellulare

La fascia dentata ippocampale è una regione in cui sono presenti molte celluleprogenitrici alcune delle quali rimangono tali anche nella vita adulta.

Riduzione della neurogenesi nei feti con SD

Qual è l’effetto di della ridotta neurogenesi ippocampale?

Strato granulare fascia dentata ippocampo

Strato cellule piramidali ippocampo

Guidi et al., Brain Pathology, 2008

Ridotta cellularità nei feti con SD

Presubiculum

Corteccia entorinale

Guidi et al., Brain Pathology, 2008

mm

3

0

1

2

3

4

1 *

10

6 /

mm

3

0

1

2

1 *

10

6

0

1

2

3

4

**

Control

DS

Control

DS

Control

DS

LPI LPE LPI LPE LPI LPE

**

Volume Density Number

mm

3

0

2

4

6

1 *

10

6 /

mm

3

0

1

2

1 *

10

6

0

2

4

6

**

Control

DS

Control

DS

Control

DS

LPI LPE LPI LPE LPI LPE

**

Volume Density Number

Ridotta cellularità nei feti con SD

NeuN GFAP

SDEuploideSDEuploide

DG HIPP PRES EC LPHG

% o

f to

tal

0

20

40

60

80

100

*** ** *****

GFAP Control

GFAP DS

Neither Control

Neither DS

NeuN Control

NeuN DS

** *****

****

* * * **

DG: giro dentatoHIPP: ippocampoPRES: presubiculumEC: corteccia entorinalePHG: giro paraippocampale

NeuN: proteina espressa daineuroni maturiGFAP: proteina espressa dallecellule gliali

Alterato rapporto neuroni/astrociti nei feti con SD

Guidi et al., Brain Pathology, 2008

Nei feti con SD la neurogenesi cerebellare è compromessa.

Cervelletto

EGL

MOL

PURK

IGL

CONTROL DS

EGL: strato granulare esternoMOL: strato molecolarePURK: strato delle cellule del PurkinjeIGL: strato granulare interno

EGL

LI

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 ***

Control

DS

IGL

LI

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

***

Control

DS IV

L1

L2

L3

L4L5L4

IV

L1

L2

L3

L5

Guidi et al., Brain Pathology, 2011

Cellule Ki-67 positive

SDEuploide

Nei feti con SD la neurogenesi della corteccia temporale è compromessa.

Corteccia temporale

CS

ENT

PRES

SUB

DGCA1

CA3FI

VZ

FGITG

LV

MZ

CP

SP

MZ

CP

SP

LV: ventricolo laterale; CA1, CA3: regioni ippocampali; FI: fimbria; DG: fascia dentata ippocampale; VZ:zona ventricolare; SUB: subiculum: PRES: presubiculum; ENT: corteccia entorinale; CS: solco collaterale;FG: giro fusiforme; ITG: giro temporale inferiore; SP: zona sottostante piastra corticale; CP: piastracorticale; MZ: zona marginale.

Guidi et al., Brain Pathology, 2018

Anche la corteccia temporale è implicata in fenomeni di memoria quali ilriconoscimento facciale e di oggetti.

Thic

kness (

m)

0

200

400

600

800

1000

Cells/m

m2 (

1 x

10

3)

0

5

10

15

20

*

GIRO FUSIFORME

*

Thic

kness (

m)

0

200

400

600

800

1000

Cells

/mm

2 (

1 x

10

3)

0

5

10

15

20

GIRO TEMPORALE INFERIORE

* *

EU GW 21 DS GW 21

CP

CP

SP SP

Guidi et al., Brain Pathology, 2018

CP: piastra corticale;SP: zona sottostante piastra corticale

Ridotta cellularità nei feti con SD

Guidi et al., Brain Pathology, 2018

Alterato rapporto neuroni/astrociti nei feti con SD

Cell

Num

ber

(x 1

02)

0

20

40

60

80

100

Cell

Num

ber

(x 1

02)

0

20

40

60

80

100

%

0

20

40

60

80

100**

***

*

GIRO FUSIFORME

EU SD

EU SD EU DS

%

0

20

40

60

80

100

*

EU SD

GIRO TEMPORALE INFERIORE

NeuN GFAP Neither

EU SD

I difetti di neurogenesi e di differenziamento riscontrati nelle strutturecerebrali del feto sono presenti anche in uno dei modelli murini di SDmaggiormente utilizzati; il topo Ts65Dn.

Nei feti con SD la neurogenesi e la cellularità del subiculum sono compromesse

Subiculum

EU DS

PRES

SUB

DG

CA3CA1

LV

VZIZ

Pyr

Guidi et al., Brain Pathology, in press

Strato piramidale

Zona ventricolare

NeuN GFAP Neither

Il subiculum è una zona ippocampale indispensabile nel fenomeno del recuperodei ricordi.

Cellule Ki-67 positive

Topo Ts65Dn

ConclusioniQuesti studi dimostrano per la prima volta che

la neurogenesi è ridotta in molte strutture cerebrali di feti con sindrome di Down.

L’alterazione della neurogenesi è accompagnata da uno sbilanciamento nel differenziamento.

Queste alterazioni appaiono importanti determinanti della disabilità cognitive che caratterizza i soggetti sindrome di Down.

Facoltà

Renata BartesaghiElisabetta Ciani Sandra Guidi

PhD, Post Doc

Marco EmiliAndrea GiacominiFiorenza Stagni

Beatrice Uguagliati

Laboratorio di Neurofisiologia e Neurobiologia di Disturbi dello Sviluppo Cerebrale

AndreaFiorenza

Prof.ssa Renata Bartesaghi

Sandra Marco

Pykn

otic c

ells

/ m

m2

0

2

4

6

8

10

Pykn

otic c

ells

/ m

m2

0

10

20

30

40

DS

Control

**

DS

Control

DG SVZ

Ca

sp

ase

-3+ c

ells

/ m

m2

0

2

4

6

8

10

Ca

sp

ase

-3+ c

ells

/ m

m2

0

10

20

30

DS

Control

*

DS

Control

DG HIPP

Ca

sp

ase

-3+ c

ells

/ m

m2

0

1

2PHG

Ca

sp

ase

-3+ c

ells

/ m

m2

0

2

4

6

8

10

*

SVZ

DS

Control

DS

Control

Apoptosi ippocampale

DG: giro dentatoSVZ: zona subventricolareHIPP: ippocampoPHG: giro paraippocampalePRES: presubiculum

Guidi et al., Brain Pathology, 2008

L’apoptosi, o mortecellulare programmata,potrebbe influenzare lariduzione delle dimensionidell’ippocampo nei feti conSD.