I Jornada Científica Fundación Iberoamericana Down 21 Acciones individualizadas en el Síndrome de Down Santander, 15 de noviembre de 2007 Síndrome de Down:

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1 I Jornada Científica Fundación Iberoamericana Down 21 Acciones individualizadas en el Síndrome de Down Santander, 15 de noviembre de 2007 Síndrome de Down: Perspectivas terapéuticas desde los avances biológicos Prof. Jesús Flórez Facultad de Medicina, Universidad de Cantabria Asesor, Fundación Síndrome de Down de Cantabria Director, Canal Down21 ( España

2 Estrategias terapéuticas
Los intentos de mejorar la capacidad cognitiva de las personas con síndrome de Down se han basado en tres pilares: Seguir las pautas marcadas en la investigación de la enfermedad de Alzheimer Terapias inespecíficas: complementos nutricionales, fármacos nootropos Técnicas de intervención temprana Las perspectivas de éxito han aumentado sustancialmente tras la introducción de los modelos animales

3 El valor del modelo animal
Permite elaborar una hipótesis, ponerla a prueba y predecir la validez terapéutica en la especie humana. El ratón es un animal muy útil porque conocemos muy bien: Su estructura cerebral Sus vías fisiológicas y metabólicas Su mapa genético: sus cromosomas tienen largos segmentos de sintenía génica en relación con los cromosomas humanos

4 Modelos animales de discapacidades mentales humanas
Estamos utilizando un número sustancial de modelos murinos de discapacidades mentales. Véanse ejemplos específicos en: The Jackson Laboratory web site

5 ¿Es posible reproducir en un animal el síndrome de Down?
Nuestros cromosomas son distintos de los de los demás animales. Pero tenemos infinidad de genes idénticos. Muchos de ellos son responsables de funciones bioquímicas parecidas en las distintas especies. Están situados y repartidos de manera diferente. El ratón es un animal ideal en muchos aspectos: rapidez de reproducción, conocimiento del genoma.

6 Figura 2. Mapas genéticos comparados en los que se muestra un alto grado de conservación entre el cromosoma 21 humano (HSA21) y los cromosomas 16, 17 y 10 de ratón (MMU). (Reeves et al., 2001)

7 El ratón transgénico y el síndrome de Down
Objetivo: conocer la consecuencia de que se sobreexprese un único gen o unos pocos genes. Limitaciones de la técnica: 3 copias de un solo gen pueden no provocar los mismos efectos que 3 copias de varios genes actuando simultáneamente, como es el caso del síndrome de Down.

8 Ratones transgénicos Se han producido ratones transgénicos que sobreexpresan uno o más genes del cromosoma 21: SOD1 APP Dyrk1A SIM2 S100β ETS2 BACE2, etc. Muestran algún rasgo fenotípico similar al que se observa en las personas con síndrome de Down A pesar de sus limitaciones intrínsecas, los ratones transgénicos son muy útiles para probar moléculas con fines terapéuticos.

9 Efecto de dosis de Dyrk1A in vivo
TgDyrk1A Neurodesarrollo - Viabilidad y aspectos somatométricos conservados - Retraso del desarrollo neuromotor y psicomotor general Estructura del SNC - Sin alteraciones macroscópicas importantes - Alteraciones en la microestructura del árbol dendrítico en corteza cerebral Alteraciones comportamentales - Alteraciones en coordinación motora - Hiperactividad - Déficits en memoria y aprendizaje visuo-espacial Dyrk1A +/- Neurodesarrollo - Reducción en la viabilidad - Retraso general del desarrollo somatométrico y neurológico - Retraso del desarrollo neuromotor Estructura del SNC - Reducción general del tamaño del cerebro - Citoarquitectura conservada en diferentes áreas - Alteración de la microestructura de las células piramidales, reducción del neuropilo Alteraciones comportamentales - Hipoactividad - Alteraciones de aprendizaje y memoria

10 A la izquierda se muestran campos de neuronas piramidales de la corteza cerebral de ratón, mostrando sus ramificaciones dendríticas. Arriba, ratones normales (control); abajo, ratones heterocigotos a los que se les ha suprimido una copia del gen Dyrk1A. A la derecha se muestran ejemplos de dendritas de ambos grupos de ratones. Se aprecia la menor longitud en el ratón heterocigoto, y la menor cantidad de espinas en las dendritas (números de la derecha).

11 Los ratones TgDyrk1A Presentan:
Un retraso significativo en el desarrollo neuromotor, Alteraciones del aprendizaje y Un patrón locomotor hiperactivo en el adulto (Altafaj et al. 2001). Ello estaría en concordancia con el patrón de expresión del gen, que es ubicuo durante el neurodesarrollo, y en el adulto se concentra en regiones motoras, olfatorias y en algunas estructuras cerebrales relacionadas con procesos de memoria y aprendizaje. En tareas de aprendizaje, los ratones TgDyrk1A muestran alteraciones en el aprendizaje visuoespacial y en la flexibilidad cognitiva, lo que sugiere que hay alteraciones subyacentes en hipocampo y en corteza cerebral. .

12 Los ratones TgDyrk1A Si bien más leves, cualitativamente estas alteraciones muestran una similitud clara con las observadas en el modelo Ts65Dn (un modelo de trisomía parcial del cromosoma 16 murino). Y si bien es evidente que Dyrk1A no es el único gen implicado en el defecto de memoria, estos hallazgos apuntan a que podría ser uno de los genes candidatos importantes. En la corteza cerebral, la sobreexpresión de Dyrk1 A provoca alteraciones en la formación de neuritas, caracterizadas por un retraso en la elongación del axón y una alteración en el número y tamaño de estructuras proliferantes, sugiriendo la implicación de la sobreexpresión de este gen en las alteraciones del aparato dendrítico que se observan en el síndrome de Down.

13 Ratón trisómico y síndrome de Down
El ratón tiene 20 pares de cromosomas. Su cromosoma 16 contiene una porción con un gran número de genes similares o idénticos a los presentes en la región crítica del cromosoma 21 humano. Contiene otros genes que no están en el cromosoma 21 humano. No todos los genes del cromosoma 21 humano están representados en el 16 del ratón. La trisomía completa del 16 no es viable.

14 Trisomía murina parcial y el síndrome de Down
Puesto que el HSA21 comparte una amplia región de homología genética con el cromosoma 16 del ratón, la producción de ratones trisómicos segmentarios en el cromosoma 16, con límites muy precisos de la región triplicada, ofrece oportunidades excelentes para examinar las correlaciones entre el genotipo y el fenotipo, y sus implicaciones terapéuticas.

15 El modelo Ts65Dn El modelo murino más poderoso y más utilizado actualmente es el ratón Ts65Dn, producido por el grupo de Davisson a comienzos de la década de los noventa. Este ratón contiene un cromosoma extra translocado, que se extiende por la mayor parte de la región del MMU16 que es homólogo para el HSA21, y está translocado en el centrómero del MMU17. Contiene 136 genes que son ortólogos para los genes humanos del 21.

16 Olson et al., Science 306, 687, 2004

17 El modelo Ts65Dn El ratón Ts65Dn posee muchos rasgos físicos, conductuales y neurológicos que recuerdan a los que se observan en las personas con síndrome de Down, incluida la dismorfogénesis craneofacial, la pérdida de neuronas colinérgicas conforme avanza la edad, o los déficit de memoria y de aprendizaje.

18 Patterson & Costa Nature Reviews 6: , 2005

19 ESTUDIO DE LOS PATRONES COGNITIVO Y CONDUCTUAL DEL MODELO DE SÍNDROME DE DOWN Ts65Dn EFECTOS DEL ENRIQUECIMIENTO AMBIENTAL C. Martínez-Cué, C. Baamonde, M.A. Lumbreras, J. Paz, M.T. Davisson, C. Schmidt, M. Dierssen & J. Flórez Behavioural Brain Research 134: , 2002

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22 ** * Machos, NE * ** Hembras, NE p<0.0001 p<0.0001 1 2 3 4 5 6 7
8 200 400 600 800 1000 Sesión centímetros CO TS ** * Machos, NE N S O E O E O E p<0.0001 1 2 3 4 5 6 7 8 200 400 600 800 1000 Sesión centímetros CO TS * ** Hembras, NE E p<0.0001

23 Machos, control Hembras, control Machos, Ts65Dn Hembras, Ts65Dn * n.s.
1 2 3 4 5 6 7 8 200 400 600 800 1000 Sesión centímetros EE NE Machos, control N S O E O E O E n.s. 1 2 3 4 5 6 7 8 200 400 600 800 1000 Sesión centímetros NE EE Hembras, control p<0.01 1 2 3 4 5 6 7 8 200 400 600 800 1000 Sesión centímetros EE NE * Machos, Ts65Dn p<0.01 centímetros 1 2 3 4 5 6 7 8 200 400 600 800 1000 Sesión EE NE Hembras, Ts65Dn p<0.05

24 Porcentaje de distancia en la periferia
20 40 60 80 100 Grupo % Machos Hembras EE NE CO TS aabb N S O E Porcentaje de distancia en el centro 20 40 60 80 100 Grupo % CO TS Machos Hembras EE NE aabb N S O E

25 RESUMEN DE RESULTADOS El enriquecimiento indujo cambios conductuales y de aprendizaje en los ratones Ts65Dn. El sexo fue un factor fundamental ya que mejoró la ejecución en hembras mientras que la empeoró en machos. Las diferencias en ejecución en el laberinto acuático fueron debidas a diferencias en distancia recorrida por la periferia del aparato, lo que indica diferencias en estrategia de búsqueda de la plataforma. El efecto del enriquecimiento fue más marcado en la memoria de trabajo que en la de referencia.

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28 Dierssen et al., Cerebral Cortex 13: 758-764., 2003
TOTAL NUMBER OF SPINES Number of spines 1000 2000 3000 4000 5000 6000 control 37% increase Non-enriched control Enriched control Control Enriched trisomic Non-enriched trisomic trisomic Down syndrome model Dierssen et al., Cerebral Cortex 13: , 2003

29 Grupo Tipo de jaula Estímulos
Físicos Sociales No enriquecidos en jaulas estándar Estándar de laboratorio NO Enriquecidos en jaulas estándar SI Enriquecimiento ambiental De grandes dimensiones Condición social Martínez-Cué et al. 2005

30 Los ratones Ts65Dn se mostraron menos agresivos que los controles en todas las condiciones, en especial cuando eran tratados con enriquecimiento ambiental. La relación entre la agresividad y el deterioro cognitivo encontrado en los ratones trisómicos indica que recibir mayor número de ataques al estar en una posición menor en la jerarquía de dominancia podría estar implicado en el deterioro cognitivo encontrado en estos animales.

31 GVS-111 enhances Down syndrome neuronal survival in cortical cultures
11th division, untreated GVS-111 enhances Down syndrome neuronal survival in cortical cultures 11th division, treated with GVS-111 Pelsman et al., Int J Devl Neurosci 21: , 2003

32 Rueda et al., 2006 unpublished * ** *** E F G H I J K L
1 2 3 4 5 6 7 8 10 20 30 40 50 60 70 Session sec CO saline CO SGS - 111 TS TS SGS * ** *** E F G H I J K L ADULT TREATMENT PRE- AND POST- NATALLY TREATED MALES PRE- AND POST- NATALLY TREATED FEMALES p<0.001 n.s. p<0.05 Rueda et al., 2006 unpublished

33 NH2 HCL CH3 H3C Memantine

34 Males A. B. C. D. Rueda et al., 2006, unpublished H O TS O CO
1 2 3 4 5 6 7 8 10 20 30 40 50 60 70 H O TS O CO p<0.001 ** * session secs MEM TS MEM CO p=0.010 p<0.01 n.s. C. D. Males Rueda et al., 2006, unpublished

35 La fluoxetina aumenta la neurogénesis en el hipocampo del ratón Ts65Dn
Clark et al. Exptl Neurol 200(1): , 2006

36 Señalar moléculas específicas
Entre las anomalías del desarrollo del ratón Ts65Dn, análogas a las que se observa en el síndrome de Down, destaca el tamaño pequeño del cerebelo que contiene menor número de neuronas granulares y células de Purkinje. Esto se debe a que existe un déficit en la respuesta mitogénica a la proteína de señalización Hedgehog (Roper). El tratamiento por vía sistémica de ratones Ts65Dn recién nacidos con una pequeña molécula agonista de la vía Hedgehog (SAG 1.1) incrementó las mitosis y restauró la población de células precursoras de las neuronas granulares. (Roper et al., 2006).

37 Roper et al., PNAS 103(5): 1452-1456, 2006 Células en mitosis
Precursores de células granulares Células en mitosis Roper et al., PNAS 103(5): , 2006

38 El sistema GABA cerebral
Existe un predominio en el número de sinapsis de carácter GABA En consecuencia, existe un desajuste entre la actividad de sistemas excitadores (glutamato) e inhibidores (GABA) La aplicación de fármacos que reducen la actividad GABA cerebral podría restablecer este desajuste Picrotoxina y pentilenetetrazol (cardiazol) antagonizan la actividad del receptor GABA-A

39 Fernández et al., Nature Neuroscience 2007

40 Fernández et al., Nature Neuroscience 2007

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42 Laberinto acuático de Morris

43 El sistema GABA cerebral
Los resultados muestran el valor positivo que puede tener la aplicación a largo plazo de fármacos que reducen la actividad GABA cerebral El riesgo reside en que produzcan una activación generalizada en el cerebro Posibles vías de solución: aplicar agonistas inversos muy selectivos para subtipos concretos de receptores GABA-A: subtipo que contiene la subunidad α5 El fármaco α5IA (3-(5-Meilisoxaxol-3-yl)6[(1-metil-1,2,3-triazol-yl)metil-oxi]-1,2,4-triazolo[3,4,- α]ftalazina) es un compuesto que tiene eficacia agonística inversa selectiva para el subtipo α5 del receptor GABA-A. Incrementa la LTP hipocampal y la cognición sin provocar efectos convulsivantes o ansiogénicos en roedores