Fattori genetici e ambientali: quale la causa dell’autismo?

Antonio M. PersicoUnità di Neuropsichiatria Inf. & Adolesc. Lab. di Psichiatria Mol. & NeurogeneticaUniversità “Campus Bio-Medico” , Roma

& Ambulatorio di Psichiatria dell’Infanzia,

dell’Adolescenza e dell’Adulto, Centro Mafalda Luce per i Disturbi Pervasivi dello Sviluppo, Milano

I disturbi dello spettro autistico, dalla diagnosi precoce alla vita adultaGiornata Mondiale per la Consapevolezza dell’Autism o

Roma, 2 Aprile 2014

Esiste una importante componente ereditaria nell’autismo

• Tassi di concordanza nei gemelli: – Monozigoti: 60-90%; Dizigoti: 0-10%���� Ereditabilità >90%

• Rischio di ricorrenza per DA -DSA: 5-15% (ma gli studi di fratelli/sorella ad alto rischioindicano 15-25%, molto superiore rispetto allapopolazione generale)

• Una causa genetica certa si identifica solo in circa il 20% dei casi idiopatici (10% sindromici; 7-10% CNV de novo e mutazioni note)

Verso una classificazione genetica degli Autismi

1) Autismi sindromici “classici”

2) Nuovi autismi sindromici di natura monogenica dovute a mutazioni o anomalie citogenetiche

3) Autismi dovuti a piccoli riarrangiamenti cromosomici (microdelezioni / microduplicazioni: Copy Number Variants o CNVs)

4) Autismi mitocondriali

5) Autismi poligenici e interazioni gene-ambiente.Persico AM & Napolioni V, Behav Brain Res 251:95-112, 2013

(1) Autismi sindromici “Classici” • Sindrome dell’X fragile

• Sclerosi tuberosa

• Neurofibromatosi

• Fenilchetonuria non trattata

• Sindrome di Angelman

• Sindrome di Cornelia de Lange

• Sindrome di Down

• Sindrome di Smith -Lemli-Opitz

• Riarrangiamenti cromosomici de novo

Persico AM & Napolioni V, Behav Brain Res 251:95-112, 2013

(2) “Nuovi” autismi sindromici monogenici dovuti a mutazioni de novo o CNV

Lintas C & Persico AM, J Med Genet, 46:1-8, 2009

Screening nelle femmine (MECP2) e nei macrocefalici (PTEN)

• NLGN3 and NLGN4 (Xq13, Xp22.3)

• SHANK3 (22q13.3)

• NRXN1 (2q32)

Sinaptogenesi

• MECP2 (Xq28)Struttura della

cromatina• HOXA1 (7p15.3)

• PTEN (10q23)

• RAY1, IMMP2L (7q31-q33)

• EIF4E (4q21-q25)

Morfogenesi e ciclo cellulare

• CACNA1C (12p13.3), CACNA1F (Xp11.23),• KCNMA1 (10q22.3), [CACNA1H, SCN2A]

Omeostasi del calcio

Copy Number Variants (microdelezioni e microduplicazioni ) possono causare l’autismo ( forme monogeniche ) oppure aumentare il rischio ( forme oligogeniche/poligeniche )

Lupski JR, N Engl J Med 356:1169-71, 2007

(3) Sindromi autistiche ricorrenti da CNV

(3) Sindromi autistiche ricorrenti da CNVRegione Ch Del/Dup segni e sintomi relativi al neurosv iluppo Altri segni e sintomi

1q21 Del Autismo, ADHD, comportamento antisociale, ansia, epilessia, ritardo mentale, ritardo dello sviluppo, depressione, allucinazioni, schizofrenia.

Dismorfismi minori, difetti cardiaci, cataratta, malformazioni multiple congenite.

Dup Autismo, ADHD, epilessia, ritardo mentale, ritardo dello sviluppo, deficit del linguaggio, disturbi dell’apprendimento.

Dismorfismi minori,malformazioni multiple congenite.

2p15-2p16.1 Del Autismo, ritardo dello sviluppo Microsomia, microcefalia, caratteristiche dismorfiche

15q13 Del Autismo, ADHD, aggressività, ansia, epilessia, ritardo mentale, ritardo dello sviluppo, deficit del linguaggio, schizofrenia.

Dismorfismi minori, difetticardiaci.

Dup Autismo, ansia, disturbo bipolare, ritardo mentale, ritardo dello sviluppo, disturbo ossessivo compulsivo, ritardo del linguaggio.

Dismorfismi minori, ipotonia, obesità, infezioni ricorrenti dell’orecchio

16p11.2 Del Autismo, sindrome di Asperger, ADHD, dislessia, disturbo bipolare, ansia, epilessia, ritardo mentale, ritardo dello sviluppo, deficit del linguaggio, schizofrenia.

Dismorfismi minori, ipotonia, malformazioni congenite multiple.

Dup Autismo, ADHD, ansia, epilessia, ritardo mentale, ritardo dello sviluppo, disturbo ossessivo-compulsivo.

Persico AM & Napolioni V, Behav Brain Res 251:95-112, 2013

Ref. Mutazione Gene DNAmt N. di pazienti Segni e sintom i

Graf et al(2000)

8363G>A tRNALys 2 familiari Fratello: autismo, regressionecomportamentale, iperattività, deficit diattenzione, disprassia fine- e grosso-motoriaSorella: epilessia parziale complessa,instabilità, mioclonie, disprassia orofaringea,disabilità intellettiva moderata.

Fillano et al (2002)

Grandi delezioni del DNAmt 5 ASD Autismo, atassia, cardiomiopatia.

Pons et al(2004)

3243A>G tRNALeu(UUR) 2 ASD & le loro2 madri

Molto eterogenei : autismo, ritardo delneurosviluppo , goffagine, deficit diattenzione, deterioramento neurologico inpresenza di febbre, microcefalia omacrocefalia.

? DNAmt o DNA genomico?

1 con deplezione del

DNA mit.

Autismo, ipotonia muscolare , convlusioni,mooclonie, e ritardo del neurosviluppo.

Weissman et al (2008)

3397A>G4295A>G11984T>C

Subunità ND1 del ItRNAIleu

Subunità ND4 del complesso I

25 con patologia mit. primaria (3/25 con mutazionidel DNAmt)

Autismo, eccessiva affaticabilità ointolleranza all’esercizio fisico , disturbigastrointestinali, anomalie cardiovascolari,dismorfismi facciali, microcefalia omacrocefalia , ritardo dello sviluppogrossomotorio, ritardo della crescita.

(4) Sindromi autistiche mitocondriali

Persico AM & Napolioni V, Behav Brain Res 251:95-112, 2013

(5) Autismi poligenici

KaryotypicKaryotypicKaryotypicKaryotypic

SubmicroscopicSubmicroscopicSubmicroscopicSubmicroscopic

Fragile XFragile XFragile XFragile X

Rett syndromeRett syndromeRett syndromeRett syndrome

NeuroliginsNeuroliginsNeuroliginsNeuroligins

Tuberous SclerosisTuberous SclerosisTuberous SclerosisTuberous Sclerosis

UnknownUnknownUnknownUnknown

Prof. Bei-Lin Wu, Harvard Univ.

Genetica semplice e complessa

22 22

21

Mutazione o delezionede novo

21 21

11

Fattori ambientali attivi

in epoca prenatale

Delezioni trasmessedai genitori al figlio

Esito degli array-CGH

(N=83 pazienti)

Diagnosi di causa19%

Elevata probabilità

23%

Variante rara di dubbio significato

17%

Variante comune32%

Nessuna variante9%

Positivi35/83

(42,2%)

Negativi34/83

(41,0%)

Vargas DL et al., Ann Neurol 57:67–81, 2005

Stoner et al., NEJM 370:1209-1219, 2014

Bailey A et al., Brain 121:889–905, 1998

Superficie piale

Str. V, girofrontale sup.

Capsulaesterna

Alterazioni neuroanatomichenel disturbo autistico

Rice & Barone, Env Health Persp 108(S3):511, 2000

I- - - - - - - - Apoptosis - - - - - - - -I

I- Pattern -Iformation

Belmonte et al, J Neurosci 24:9228, 2004

Input sensoriale

Rumore di fondo

Connessioni a lungo raggio

Connessioni a corto raggio

Taylor et al., BMJ Open 3:e003219, 2013

Incidenza di autismo nel Regno Unito

Incidenza di autismo negli USA: da 2-5:10.000 a 1:68

CDC, MMWR Surveill Summ 63 (S2):1-21, 2014

Bailey et al, 1995 Hallmeyer et al, 2011

Con

cord

anza

92%

10%

42%

13%20%

M FM/F

MZ

DZ

>90%

<10%

H SEF

37%

55%

H SEF

H

SEF

Ere

dita

bilit

à

Persico AM & Merelli S, Key Issues in Mental Health, vol. 179/Chapter 10, in press

Fattori Ambientali e Autismo: prove certe di causalità diretta

Fattore Ambientale Periodo critico Meccanismo

Acido Valproico Giorno embrionale 18-30

post-fertilizzazione

Alterazione della espressione genica

Ipometilazione del DNA

Stress ossidativo

Anti-metabolismo dell’acido folico

TalidomideGiorno embrionale 20-30

post-fertilizzazione

Alterazione della espressione genica

Danno al DNA mediato da radicali dell’O2

Inibizione dell’angiogenesi

MisoprostolGiorno embrionale 18-42

post-fertilizzazione

Alterazione della espressione genica

Inibizione dell’angiogenesi

RosoliaSettimana embrionale 1-8

post-fertilizzazione

Danno diretto del virus sul neurosviluppo

Risposta immune materna e fetale

Citomegalovirus Tutta la gravidanzaDanno diretto del virus sul neurosviluppo

Risposta immune materna e fetale

Fattori Ambientali e Autismo: indizi di causalità diretta

Fattore Ambientale Periodo critico Meccanismo

Inquinamento

dell’ariaTutta la gravidanza + periodo

postnatale precoce

Stress ossidativo nel sistema nervoso centrale

Attivazione immunitaria sistemica e nel sist. nervoso

Danno vascolare cerebrale

Neurodegenerazione

Alterazione della espressione genica

Alterata metilazione del DNA

Organofosfati Tutta la gravidanza

Attivazione infiammatoria sistemica e nel sist. nervoso

Alterazione della proliferazione neurogliale da perossidazione

Inibizione della trascrizione e dell’attività di reelin

Ridotta espressione di BDNF

Interferenza con la gestione del calcio intracellulare

Alterazione della neurotrasmissione GABAergica

Bifenili policlorinati

(PCB) e eteri difenili

polibrominati

(PBDE)

Tutta la gravidanza

Interferenza endocrina

Stress ossidativo nel sistema nervoso centrale

Interferenza con la gestione del calcio intracellulare

Ridotta metilazione del DNA

Attivazione immunitaria sistemica e nel sist. nervoso

Metalli pesanti Tutta la gravidanza

Neurotossicità

Attivazione del sistema immune, autoimmunità

Alterazione della espressione genica

AntidepressiviTutta la gravidanza +

periodo postnatale precoceSquilibrio serotoninergico

Curr Opin Pediatr 22:219-25, 2010

I fattori ambientali non conoscono il DSM -5!!!.......

Causano autismo, disabilità intellettiva, ADHD, pre maturità,

basso peso alla nascita e ritardo nello sviluppo

ISS 26 Marzo 2014, Vaccini e autismo, a cura di Ste fania Salmaso, Direttore del Centro nazionale di

epidemiologia, sorveglianza e promozione della sal ute dell’ISS

2013 Aug;163(2):561-7

…con autismo (?!?)

pazienti controlli

No!…hanno l’artrite reumatoide!!!

Wanchu A et al, Ann Rheum Dis 61: 88, 2002

Brain Behav Immun 2014, Jan 3 epub

•Autoanticorpi anticervelletto (45 e 62 kDa)N=355 bambini autistici e 142 fratelli/sorelle non affetti

•Anticorpi materni anticervello (37, 39, 73 kDa)N=333 madri di bambini autistici

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

45 kDa 62 kDa 45+62 kDa

Autistics (N = 355) Siblings (N = 142)

27 18 23 10 2 2

Piras et al., Brain Behav Immun 2014, Jan 3 [epub]

Piras et al., Brain Behav Immun 2014, Jan 3 [epub]

p-CRESOLO

(4-metilfenolo)

Persico & Napolioni, Neurotoxicol Teratol 36:82-90, 2013

Altieri L. et al., Biomarkers 16:252, 2011 & Gabriele et al. submitted

Elevato p-cresolo urinario in 59 casi e controlli italiani

Dati non pubblicati

Effetti comportamentali del p-cresolo nei topi BTBR, modello murino di autismo

Test sociale “delle tre camere”

Pascucci T. et al., manuscript in preparation

Dati non pubblicati

http://www.snlg-iss.it/cms/files/LG_autismo_def.pdf

Psicofarmacologia non-specifica

Comorbidità

Terapia molecolare personalizzata

Sintomi nuclearidell’autismo

Psicofarmacologia molecolare personalizzata:una rivoluzione”silenziosa” già iniziata

Sindrome Fisiopatologia Farmaco Meccanismo terapeutico Studio clinico (n. NCT)

Sindrome di Rett [MeCP2] Anomala regolazione dell’espressionegenica, che interferisce con la crescitaneuritica e la sinaptogenesi (1-3) IGF1

[Mecasermin, Increlex]Promuove la crescitaneuritica e la sinaptogenesi

01253317, 01777542

Delezione 22q13/Sindrome di Phelan-McDermid [SHANK3]

Alterata impalcatura dell’elemento post-sinaptico, che cause una diminuzione dellespine dendritiche e della sinaptogenesi

01525901

Sindrome dell’X fragile [FMR1] Eccessiva traduzione di alcuni mRNA nellespine dendritiche

MPEP

Fenobam

STX107

AFQ056 [Mavoglurant]

RO4917523

Antagonisti del recettoremGLUR5

Nessuno

01806415

01325740, 00965432

01357239, 01253629, 01482143, 01348087, 01433354, 00718341

01750957, 01015430,01517698

STX209 [Arbaclofen] Agonista del recettoreGABA-B

00788073, 01282268, 01555333 (interrotto), 01325220

CX516 [Ampalex] Modulazione allostericapositiva dei recettori AMPA

00054730

Sindrome dell’X fragile ed autismoidiopatico [neuroinfiammazione]

Attivazione microglialeMinociclina

Inibizione della microglia 00409747

Aumentata espressione ed attività dellaMMP9

Inibizione della MMP9 01053156, 0858689

Sclerosi tuberosa [TSC1/TSC2] Disinibizione della via biochimica di mTORRapamicina [Sirolimus]

Everolimus [RAD001, Afinitor]

Inibizione di mTOR 00457808

01289912, 01070316, 01730209, 01713946

Autismo con macrocefalia (PTEN) Nessuno

Neurofibromatosi (NF1) Disinibizione dell’attività di RAS & dellavia biochimica di mTOR

Lovastatina Inibizione dell’attività di RAS

00352599

Varianti geniche nel gene OXTR, checodifica il recettore per l’ossitocina

Ridotta attività dell’ossitocina Ossitocina Aumentata attivitàdell’ossitocina

01337687, 01788072, 01624194, 01308749,01183221, 1256060

CNV localizzati nella regione 15q11-13, che coinvolgono i geni GABRB3, GABRA5 e GABRG3 (autismo edepilessia)

Effetto eccitatorio del GABA dovuto ad un elevato livello di cloro intracellulare neineuroni

Bumetanide Potenziamentodell’inibizione GABAergicamediante riduzione deilivelli intracellulari di cloro

01078714

Vorstman et al, Psychopharmacol, 231:1063-78, 2013

Vorstman et al, Psychopharmacol, 2013

Pannello di biomarcatori

AUTISMO: QUALE FARMACO PER QUALE PAZIENTE?

Genomica: CNV, SNP, mutazioni rare

Metilomica

Trascrittomica (codificante & non)

Proteomica

Metabolomica

Basi biologiche del Disturbo dello Spettro Autistic o

Pannello diagnostico multilivello per ilDisturbo dello Spettro Autistico

1) Diagnosi precoce nei casi sporadici, specialment e a 18-30 mesi quando la diagnosi è particolarmente sogget ta al rischio di falsi-positivi e di falsi-negativi.

2) Stime di rischio alla nascita nei casi familiari , con relativo adattamento del programma di follow -up clinico ed eventuale avvio di un intervento comportamentale mo lto precoce.

3) Indicazioni prognostiche sulle traiettorie di svi luppo di bambini già diagnosticati con un DSA.

4) Indicazioni prognostiche sulla probabilità di ris posta al trattamento comportamentale.

5) Indicazioni per terapie farmacologiche personalizza te.

PatientsRegulatoryApproval

Basic Research Exploratory Discovery Preclinical Phase 1 Phase 2 Phase 3

Target ID• Genetic screening• TxP profiling• Epidemiology

Target Prosecution• Assay

Development• HTS/Lead ID• Lead Optimization

Cmpd De-Risking• Safety• Toxicology• PK/PD modeling• Biomarkers

Proof of Mechanism• Safety• Tolerability• Exposure to target• Target Engagement• Evidence of pharm• ESOE studies

Proof of Concept• Efficacy• Safety• Biomarker• ESOE

Target Validation• Animal models• Cellular assays• Human tissue

profiling

AGPAGPAGPAGPAutism Genome Project Autism Genome Project Autism Genome Project Autism Genome Project

A PROGRAM FUNDED BY AUTISM SPEAKSA PROGRAM FUNDED BY AUTISM SPEAKSA PROGRAM FUNDED BY AUTISM SPEAKSA PROGRAM FUNDED BY AUTISM SPEAKS

Alignment with Public-Private Partnerships (PPP)

Misure 6 mesi 12 mesi 24 mesi

Vineland Adaptive Behavior Questionnaire X X

MacArthur Communicative Development Inventory (CDI)

X X

Questionario Temperamento (QUIT) X X X

First Year Inventory X

M-CHAT X

Child Behavior Checklist (CBCL) X

GMDS Griffiths X X X

Autism Observation Scale for Infants (AOSI) X X

Autism Diagnostic Observation Schedule (ADOS) X

Autism Diagnostic Interview –Revised (ADI-R) X

Parenting Stress Index X X X

Circonferenza cranica, altezza, peso X X X

Campioni di sangue, saliva, urine X

Protocollo NIDA per lo studio di

bambini ad alto rischio di autismo

Ringraziamenti

UCBM (Roma) – Stefano Gabriele, Sarah Hastings, Sara Iannello, Carla Lintas, Roberto Sacco, Magda Verdecchia

Centro Mafalda Luce (Milano) – Chiara Picinelli, Ign azio Stefano Piras, Raffaella Faggioli, Sara Merelli, Benedetta Olivari , Myriam Frittoli, Rossella Fracchiolla

-MIUR (PRIN n.2006058195 and n.2008BACT54_002)-Min. della Salute (RFPS-2007-5-640174, RF-2011-02350 537, CCM 2012)-Fondazione Gaetano e Mafalda Luce (Milano)-Autism Aid ONLUS (Napoli)-Autism Speaks (Princeton, NJ)-Autism Research Institute (San Diego, CA)-Innovative Medicines Initiative Joint Undertaking ( EU-AIMS, n. 115300)

Hai assistito ad una presentazione in lingua italiana priva di inglesismiTu ed io parliamo una lingua che ha 3000 anni di storiaFacciamone buon uso