Unraveling brain development: exploring cannabinoid therapies and gene editing in mouse models of neurodevelopmental disorders

Neurodevelopmental disorders (NDDs), including Autism Spectrum Disorder (ASD) and Tuberous Sclerosis Complex (TSC), represent a complex set of conditions with multifactorial aetiologies involving genetic, molecular, and environmental components. This dissertation addresses therapeutic strategies for these disorders by focusing on key molecular mechanisms, particularly through the application of cannabinoid-based treatments and CRISPR/Cas9 gene-editing technologies for the generation of novel translational models. The first study explores the effects of cannabidiol (CBD), a non-psychoactive phytocannabinoid, in a mouse model of ASD. Treatment with CBD demonstrated a reduction in both peripheral and central inflammation without producing significant effects on behavioral outcomes. In the second study, the combination of cannabidiol (CBD) and cannabigerol (CBG) was evaluated for its syneeffects on anxiety, social interaction, and cognitive function, finding that combination treatment enhanced prosocial behaviors and reduced anxiety. In the third study, molecular analyses revealed that CBD upregulated oxytocin mRNA expression in the hypothalamus and exhibited prosocial effects mediated by the oxytocin receptor, providing mechanistic insights into how CBD affects neurochemical systems that regulate social behaviour. The last study employed CRISPR/Cas9 technology to create a novel mouse model of TSC, targeting the TSC2 gene to replicate the genetic mutations observed in human TSC patients. The study successfully introduced biallelic mutations using sgRNA targeting exon 2 of TSC2, resulting in a significant knockdown of TSC2 protein and hyperactivation of the mTORC1 signalling pathway, a key player in TSC pathogenesis. Overall, this dissertation contributes to the understanding of NDDs by offering insights into novel therapeutic strategies. The cannabinoid-based treatments demonstrated the potential to alleviate core symptoms of ASD through neuroinflammatory and behavioural modulation, while the CRISPR/Cas9-engineered TSC model provided a valuable tool for future preclinical studies. These findings pave the way for the development of more targeted and effective interventions, with implications for personalized medicine in neurodevelopmental disorders.

I disturbi del neurosviluppo, tra cui il Disturbo dello Spettro Autistico e la Sclerosi Tuberosa, rappresentano un insieme complesso di condizioni con eziologie multifattoriali che coinvolgono componenti genetiche, molecolari e ambientali. Questa tesi affronta strategie terapeutiche per questi disturbi focalizzandosi su meccanismi molecolari chiave, in particolare attraverso l'applicazione di trattamenti a base di cannabinoidi e tecnologie di gene-editing CRISPR/Cas9 per la generazione di nuovi modelli traslazionali. Il primo studio esplora gli effetti del cannabidiolo (CBD), un cannabinoide non psicoattivo, in un modello murino di ASD. Il trattamento CBD ha dimostrato una riduzione dell'infiammazione periferica e centrale senza produrre effetti significativi sui risultati comportamentali.. Nel secondo studio, la combinazione di cannabidiolo (CBD) e cannabigerolo (CBG) è stata valutata per i suoi effetti sinergici su ansia, interazione sociale e funzioni cognitive, riscontrando un miglioramento sul comportamento sociale e sull’ansia. Nel terzo studio, analisi molecolari hanno rivelato che il CBD ha aumentato l'espressione dell'mRNA dell'ossitocina nell'ipotalamo e aumentato l'attività dei recettori endocannabinoidi, fornendo approfondimenti meccanicistici su come il CBD influenzi i sistemi neurochimici che regolano il comportamento sociale. L'ultimo studio ha utilizzato la tecnologia CRISPR/Cas9 per creare un nuovo modello murino di TSC, mirato al gene TSC2 per replicare le mutazioni genetiche osservate nei pazienti umani affetti da TSC. Sono state introdotte mutazioni bialleliche utilizzando sgRNA indirizzati alla modifica dell'esone 2 di TSC2, risultando in una significativa riduzione della proteina TSC2 e nell'iperattivazione della via di segnalazione mTORC1, coinvolto nella patogenesi della TSC. Nel complesso, questa tesi contribuisce alla comprensione dei disturbi del neurosviluppo offrendo approfondimenti su nuove strategie terapeutiche. I trattamenti a base di cannabinoidi hanno dimostrato il potenziale per alleviare i sintomi principali dell'ASD attraverso la modulazione neuroinfiammatoria e neurochimica, mentre il modello di TSC ingegnerizzato con CRISPR/Cas9 ha fornito uno strumento prezioso per futuri studi preclinici. Questi risultati aprono la strada allo sviluppo di interventi più mirati ed efficaci, con implicazioni per la medicina personalizzata nei disturbi del neurosviluppo.