Exploring the role of astrocytic Ca2+ signaling in Alzheimer's Disease

Il morbo di Alzheimer è una malattia neurodegenerativa, ancora oggi incurabile, che rappresenta circa il 60% dei casi di demenza. I pazienti AD mostrano un lento e progressivo declino delle funzioni cognitive. I meccanismi molecolari e cellulari alla base del morbo di Alzheimer sono ancora largamente ignoti. Negli ultimi anni la ricerca scientifica si è focalizzata sullo studio degli effetti dei principali marcatori della malattia, i.e. placche amiloidi e grovigli neurofibrillari, sulla fisiologia neuronale. Un aspetto cruciale, sebbene a lungo trascurato,è l'esistenza di complesse interazioni fra i neuroni e gli astrociti, le cellule gliali più abbondanti del nostro cervello. Al contrario dei neuroni, gli astrociti sono cellule elettricamente non eccitabili, che tuttavia posseggono una forma diversa di eccitabilità  basata su variazioni della concentrazione intracellulare dello ione Ca2+. Gli astrociti svolgono una grande varietà  di funzioni che vanno dal controllo dell'omeostasi cerebrale alla modulazione del coupling neurovascolare e della trasmissione sinaptica. L' obiettivo della mia tesi di dottorato è quello di esplorare il possibile ruolo di queste cellule nel morbo di Alzheimer. In particolare, la nostra attenzione si è focalizzata sullo studio di possibili disfunzioni del segnale Ca2+ astrocitario in modelli murini del morbo di Alzheimer, studiando i cambiamenti dell' attività  Ca2+ negli astrociti durante la progressione della malattia, verificando quindi se le disfunzioni astrocitarie siano precedenti o successive alla deposizione delle placche amiloidi. Abbiamo caratterizzato queste disfunzioni in termini di vie di segnale, compartimenti astrocitari, i.e. soma, processi prossimali e microdomini, e aree cerebrali coinvolte. Nello specifico, abbiamo usato tre modelli murini che presentano mutazioni correlate con le forme familiari di morbo di Alzheimer. I modelli PS2.30H e APPSwe esprimono rispettivamente una forma umana mutata di PS2 (PS2-N141I) e di APP (APPSwe). Il terzo modello, PS2APP (B6.152H), esprime entrambe le proteine mutate. Gli esperimenti sono stati condotti a 3 e 6 mesi, rispettivamente prima e dopo la comparsa delle placche amiloidi nel modello PS2APP. Per studiare l'attività astrocitaria abbiamo condotto esperimenti di Ca2+ imaging in preparazioni ex vivo ed in vivo di corteccia somato-sensoriale e in fettine ippocampali. Per studiare il segnale Ca2+ astrocitario a livello del soma e dei processi, inclusi quelli più a contatto con le sinapsi, abbiamo usato un indicatore genetico per il Ca2+, il GCaMP6f. Dai nostri risultati si evince che durante la progressione della patologia nei topi PS2APP l' attività  degli astrociti subisce diversi cambiamenti: a 3 mesi l'attività  spontanea è significativamente aumentata, mentre a 6 mesi, dopo la comparsa delle placche amiloidi, sia l'attività spontanea che quella evocata dall' attivazione di diversi recettori metabotropici sono drasticamente ridotte in tutti i compartimenti astrocitari. La riduzione della risposta evocata sembra essere dovuta ad un meccanismo generale dipendente dal segnale IP3. Queste alterazioni non sono presenti negli altri due modelli murini di Alzheimer usati, dimostrando che l'espressione dell'APP o della PS2 mutata da sola non è sufficiente a ricapitolare i difetti astrocitari del segnale Ca2+ presenti nel modello PS2APP. Sebbene nel modello PS2APP le alterazioni si presentino in concomitanza con le placche amiloidi, l'poattività  astrocitaria non è influenzata dalla vicinanza delle placche. Inoltre, esperimenti preliminari in vivo confermano che nei topi PS2APP l'attività astrocitaria a 6 mesi è drasticamente ridotta. In conclusione, nel modello PS2APP l'attività Ca2+ degli astrociti è severamente alterata. Ulteriori esperimenti, anche di tipo comportamentale, atti ad investigare le conseguenze di queste alterazioni del segnale Ca2+ astrocitario sono attualmente in sviluppo.