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Alma Mater Studiorum Università di Bologna DOTTORATO DI RICERCA IN MEDICINA MATERNO-INFANTILE E DELL’ETÀ EVOLUTIVA E FISIOPATOLOGIA DELLA FUNZIONE S...

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Università di Bologna

DOTTORATO DI RICERCA IN MEDICINA MATERNO-INFANTILE E DELL’ETÀ EVOLUTIVA E FISIOPATOLOGIA DELLA FUNZIONE SESSUALE

Ciclo XXII Settore scientifico disciplinare di afferenza MED 38 PEDIATRIA GENERALE SPECIALISTICA

SINDROME DI DOWN E FATTORI DI RISCHIO NEL DECLINO NEUROCOGNITIVO

Presentata da: Dott.ssa MARILU’ CAPELLI

Coordinatore Dottorato:

Relatore:

Chiar.mo Prof. GIUSEPPE PELUSI

Chiar.mo Prof. GUIDO COCCHI

Esame finale anno 2010

1

INDICE GENERALE INTRODUZIONE 1. LA SINDROME DI DOWN: ASPETTI EPIDEMIOLOGICI

Pag. 2

2. LA SINDROME DI DOWN: ASPETTI CITOGENETICI

Pag. 7

2a La genetica delle cardiopatie congenite nella Sindrome di Down

Pag. 7

2b La genetica dei dismorfismi craniofaciali nella Sindrome di Down

Pag. 7

2c La genetica dei disordini mieloproliferativi nella Sindrome di Down

Pag. 7

3. LA SINDROME DI DOWN: ANOMALIE DEL SISTEMA NERVOSO CENTRALE E DISABILITA’

Pag. 8

4. DEGENERAZIONE NEURONALE ED INVECCHIAMENTO PRECOCE NELLA SINDROME DI DOWN

Pag. 10

5. LA SINDROME DI DOWN E LA MALATTIA DI ALZHEIMER: FATTORI DI RISCHIO E CORRELAZIONE NEUROBIOLOGICA

Pag. 11

6. CORRELAZIONE FRA DEFICIT IMMUNITARI ED INVECCHIAMENTO PRECOCE NELLA SINDROME DI DOWN

Pag. 14

7. LO STRESS OSSIDATIVO, LE MUTAZIONI DEL DNA MITOCONDRIALE E L’INVECCHIAMENTO PRECOCE NELLA SINDROME DI DOWN

Pag. 15

8. ALTERAZIONI DEL METABOLISMO DELL’OMOCISTEINA ED IPERURICEMIA NELLA SINDROME DI DOWN: CORRELAZIONE CON LO STRESS OSSIDATIVO

Pag. 19

OGGETTO DI STUDIO 1. SINDROME DI DOWN E FATTORI DI RISCHIO NEL DECLINO NEUROCOGNITIVO

Pag. 23

2. MATERIALI E METODI

Pag. 23

3. RISULTATI

Pag. 38

3.1 PARAMETRI BIOCHIMICI 3.2 VALUTAZIONI NEUROCOGNITIVE, PSICOLOGICHE E PSICHIATRICHE

Pag. 43

3.3 GENOTIPIZZAZIONE APOE4

Pag. 51

4. PROSPETTIVE FUTURE

Pag. 53

CONCLUSIONI

Pag. 55

BIBLIOGRAFIA

Pag. 58

2

INTRODUZIONE 1. LA SINDROME DI DOWN: ASPETTI EPIDEMIOLOGICI La sindrome di Down (DS) o trisomia 21 rappresenta la più comune e nota cromosomopatia, determinata dalla presenza in triplice copia del cromosoma 21 (Hsa21) o, più raramente, di parte di esso, in seguito ad una mancata disgiunzione meiotica durante l’ovogenesi. L’origine del cromosoma 21 sovranumerario è materna nel 93% dei casi, mentre nel 7% dei casi è dovuta alla non disgiunzione del cromosoma di origine paterna. Nel 95% dei casi si tratta di trisomia 21 in forma libera, che consiste nella presenza in soprannumero dell’intero Hsa21, non traslocato su altri cromosomi; nella maggioranza dei casi la trisomia 21 è omogenea, ovvero presente in tutte le cellule analizzate, mentre nel 3,5% dei pazienti è in mosaico, quindi presente solo in parte delle cellule. Nel 4% dei casi la trisomia 21 è dovuta ad una traslocazione di Hsa21 su un altro cromosoma (traslocazione robertsoniana); infine nell’1% dei pazienti la trisomia 21 è parziale. Dal punto di vista clinico l’effetto è identico, mentre le conseguenze riproduttive (rischio di ricorrenza) per la coppia genitoriale sono in relazione al tipo citogenetico di trisomia 21. Per la diagnosi di DS, è necessaria quindi la presenza di trisomia 21 in associazione al quadro clinico. L’incidenza stimata di DS è circa 1/700 – 1/1000 nati vivi, con una lieve prevalenza nel sesso maschile (1): il numero annuale di nati affetti da DS risulta essere in diminuzione a causa soprattutto delle interruzioni volontarie di gravidanza (IVG) selettive; i registri delle IVG evidenziano un progressivo incremento negli anni di interruzioni volontarie per DS e si stima che la percentuale di IVG, rispetto ai nati, sia circa 58%.

3

L’unico fattore di rischio accertato per DS è rappresentato dall’età materna avanzata, responsabile di alterazioni nel processo di meiosi (M) degli ovociti, in particolare della nondisgiunzione meiotica di Hsa21 (2), sia durante la fase I (MI), che nella fase II (MII); la percentuale di errori di MI e MII varia in base all’età materna: è più bassa nelle madri con età < 19 e ≥ 40 anni e più elevata nel gruppo intermedio e, nelle donne con età ≥ 40 anni, è più frequente la nondisgiunzione in MII (3). La trisomia 21 comporta un elevato rischio di abortività spontanea e di morbidità e mortalità neonatali: nel periodo compreso tra l’epoca della villocentesi ed il termine di gestazione la percentuale di aborti spontanei è del 43%, mentre tra l’epoca dell’amniocentesi ed il termine di gestazione è del 23% (4). In letteratura è riportata una correlazione direttamente proporzionale tra età materna ed incidenza di aborti spontanei di feti affetti da DS: con l’aumentare dell’età materna, cresce l’incidenza di aborti spontanei (dal 23% per le madri all’età di 25 anni al 45% per quelle di 45 anni) (5). Negli ultimi anni la qualità e l’aspettattiva di vita dei pazienti affetti da DS sono significativamente migliorate, grazie ai continui progressi nei trattamenti medici: è aumentata soprattutto la sopravvivenza nella prima infanzia, conseguentemente al perfezionamento della cardiochirurgia, ed i soggetti affetti da DS più anziani raggiungono i 73 anni di età; l’aspettativa di vita per i maschi è maggiore di circa 3.3 anni rispetto alle femmine; un prolungamento della vita comporta tuttavia un aumento di percentuale delle patologie legate all’invecchiamento (6).

4

2. LA SINDROME DI DOWN: ASPETTI CITOGENETICI Molti studi sono stati volti per individuare le conseguenze fenotipiche e cliniche legate al triplo dosaggio genico dovuto alla trisomia 21. Recentemente il cromosoma 21 è stato completamente sequenziato. I geni presenti su Hsa21, fino ad ora identificati, sono più di 400

(7)

; di questi 20-50 sono localizzati nel

tratto terminale del braccio lungo (21q22.2), definito Down syndrome critical region (DSCR). Si ritiene che lo sbilanciamento di espressione tra geni Hsa21 e geni nonHsa21 sia responsabile delle molteplici caratteristiche fenotipiche di DS. Solo alcuni geni sembrano essere sensibili alla sovraespressione legata alla presenza della triplice copia di Hsa21 stesso, con conseguente alterazione del fenotipo da essi determinato. I geni di Hsa21 in triplice copia hanno un effetto integrato sull’intero genoma e condizionano l’espressione di moltissimi altri geni, attivandoli o inibendoli a seconda della costituzione genetica inidividuale (polimorfismo genico): questo potrebbe spiegare la variabilità di espressione fenotipica e la diversità individuale di manifestazioni patologiche nei pazienti affetti da DS. La trisomia di Hsa21 ha un notevole impatto sullo sviluppo di diversi organi e tessuti, in particolare di cuore e cervello. Negli ultimi anni sono stati compiuti notevoli progressi nella conoscenza e nella spiegazione dei meccanismi genetici alla base delle principali caratteristiche fenotipiche della DS: anomalie di sviluppo, predisposizione a determinate patologie, disabilità. Queste conoscenze possono avere un ruolo fondamentale in nuove strategie terapeutiche.

5

Hsa21 contiene 5 microRNAs (miRNA) regolatori dell’espressione genica: miR-99a, let-7c, miR-125b-2, miR-155, and miR-802; la sovraespressione di questi miRNA, in presenza di trisomia 21, a livello dei tessuti nervoso e cardiaco fetali, determina una ridotta espressività delle proteine codificate (effetto down-regulation): ne conseguono le anomalie cerebrali e cardiache tipiche della DS.(8) Recentemente sono stati identificati due principali geni nella DSCR, coinvolti in varie anomalie di sviluppo: DYRK1A (dualspecificity tyrosine-(Y)-phosphorylationregulated kinase 1A), responsabile della fosforilazione di molteplici fattori di trascrizione (FIG.1), e RCAN1 (regulator of calcineurin 1), inibitore endogeno della calcineurina A; la presenza in triplice copia di entrambi contribuisce a deficit di apprendimento e memoria, alterazione della plasticità sinaptica, anomalie dei cicli cellulari (9). DYRK1A rappresenta il principale regolatore dell’espressione del gene REST, fattore chiave della pluripotenza cellulare e della differenziazione neuronale (FIG. 2); pertanto la triplice copia di DYRK1A in Hsa21 altera la differenziazione delle cellule pluripotenti e staminali embrionali.(10) La sovraespressione di DYRK1A si associa ad anomalie dello sviluppo neurocognitivo ed a deficit di apprendimento e di memoria solamente in alcuni modelli animali di trisomia 21, come Ts65Dn mice, ed in alcuni pazienti con DS

(11,12)

; questo suggerisce

che il polimorfismo e la diversa espressione di altri geni influiscono sugli effetti della trisomia DYRK1A.

6

FIG. 1: Dualspecificity tyrosine-(Y)-phosphorylation-regulated kinase 1A (DYRK1A) favorisce la fosforilazione di numerose proteine, coinvolte in diversi processi biologici e responsabili delle principali caratteristiche fenotipiche di DS.

FIG. 2: Principali ruoli di DYRK1A nei vari processi cellulari e loro correlazione con i fenomeni neurodegenerativi che si realizzano nella Sindrome di Down.

7

2a La genetica delle cardiopatie congenite nella Sindrome di Down Circa il 40-50% dei soggetti affetti da DS presenta una cardiopatia congenita, con notevole impatto sulla mortalità neonatale: canale atrioventricolare (39%), difetto interatriale tipo ostium secundum (42%), difetto interventricolare (43%), Tetralogia di Fallot (6%) (13). I difetti cardiaci della DS sembrano associati prevalentemente a mutazioni a carico del gene non-Hsa21 CRELD1

(14)

. Si ritiene che la presenza in triplice copia di più di 100

geni Hsa21 possa alterare lo sviluppo del tessuto cardiaco, come è stato dimostrato nel modello murino di DS, Ts65Dn (15). Sono necessari ulteriori studi per identificare i meccanismi citogenetici coinvolti nello sviluppo delle anomalie cardiache nei pazienti affetti da DS.

2b La genetica dei dismorfismi craniofaciali nella Sindrome di Down Tutti i pazienti affetti da DS presentano dismorfismi craniofaciali più o meno evidenti, con espressività variabile in base alle diverse epoche di vita. I principali dismorfismi craniofaciali caratteristici della DS sono determinati da anomalie dello sviluppo embrionale, secondarie a difetti di migrazione e proliferazione delle cellule della cresta neurale: nei modelli murini di trisomia 21, come Ts65Dn e Tc1, che manifesta le caratteristiche anomalie craniofaciali della DS

(16)

, quali

ipoplasia/dismorfismi mandibolari, sono stati riscontrati deficit numerico di cellule della cresta neurale ed un più piccolo primo arco faringeo (17).

2c La genetica dei disordini mieloproliferativi nella Sindrome di Down La malattia mieloproliferativa transitoria è una neoplasia a regressione spontanea, specifica del soggetto con DS specie nell’epoca neonatale e nella prima infanzia.

8

Il fattore di trascrizione GATA1 è necessario per il normale sviluppo e la normale maturazione delle cellule della linea eritroide e dei megacariociti. Mutazioni a carico del fattore di trascrizione GATA1 sono state correlate con l’elevata incidenza di disordini mieloproliferativi transitori nei neonati con DS megacarioblastica nel bambino con DS

(19)

(18)

e di leucemia acuta linfoblastica e

; la stessa trisomia di Hsa21 di per sé

determina un’espansione sia delle cellule precursori della linea eritroide che dei megacariociti e rende queste stesse cellule più suscettibili alle mutazioni di GATA1 (20).

3. LA SINDROME DI DOWN: ANOMALIE DEL SISTEMA NERVOSO CENTRALE E DISABILITA’ La trisomia di Hsa21 rappresenta la principale causa di ritardo mentale e tutti i pazienti con DS presentano un grado moderato-severo di disabilità. In letteratura si riporta che l’8-13,6% dei soggetti con DS sviluppa epilessia, mentre l’incidenza di autismo è stimata intorno a 7-11%. In generale, le tappe dello sviluppo seguono la normale sequenza, con un particolare deficit nella produzione di linguaggio; in età pediatrica si riscontrano disturbi comportamentali come il deficit di attenzione e iperattività (6,1% dei casi), il disturbo oppositivo della condotta (5,4%) o un comportamento aggressivo (6,5%) mentre possono occorrere in età adulta Depressione Maggiore (6,1%) o comportamento aggressivo (6,1%). Nei soggetti affetti da DS, così come nel modello murino Ts65Dn, sono state riscontrate dimensioni

cerebrali

significativamente

più

ridotte

ed

un

cervelletto

sproporzionatamente più piccolo: si tratta essenzialmente di una riduzione del volume cerebrale, in particolare per ipoplasia di ippocampo, corteccia cerebrale e sostanza bianca, con una significativa riduzione del numero di cellule neuronali

(21, 22)

. Queste

9

anomalie derivano fondamentalmente da alterazioni di sviluppo negli stadi iniziali della neurogenesi. L’esame di feti affetti da DS (17°-21° settimane) ha evidenziato la presenza di un ridotto numero di cellule a livello del giro dentato, dell’ippocampo e del giro paraippocampale; nei feti con DS vi è una prevalenza di precursori degli astrociti rispetto a cellule con fenotipo neuronale; inoltre vi è una minor proliferazione cellulare e una maggior incidenza di apoptosi cellulare a livello della regione dell’ippocampo e nella zona germinativa dei ventricoli laterali (23, 24).

Studi condotti sul modello murino Ts65Dn hanno evidenziato che i precursori delle cellule neuronali, in presenza di trisomia 21, presentano una ridotta risposta mitogena con conseguente deficit cellulare (25); infine, in diverse zone del cervello di feti affetti da DS, si è rilevato la presenza di alterazioni dei cicli cellulari che possono essere alla base di una ridotta potenzialità proliferativa(26). Oltre alle anomalie di sviluppo del sistema nervoso centrale sono state recentementi identificati diversi geni apoptosi-correlati (p53, fas, GAPDH, ecc) che hanno un ruolo fondamentale nella predisposizione della morte neuronale nel tessuto cerebrale di soggetti con DS attraverso un meccanismo di iperproduzione di specie reagenti dell’ossigeno (27). Le anomalie strutturali cerebrali, in associazione alla

trisomia di vari geni, come

DYRK1A, e di proteine canali neuronali, come GIRK2 (Gprotein-coupled inwardrectifying potassium channel subunit 2)(28) potrebbero contribuire ai difetti di apprendimento e di memoria caratteristici della DS, come è stato dimostrato da diversi studi sui modelli murini. I deficit di apprendimento e di memoria sono principalmente correlati ad anomalie del processo elettrofisiologico di “potenziamento a lungo termine”, che si realizza nel giro dentato dell’ippocampo, ipoplasico nella DS

(29)

; si associano poi specifiche alterazioni

10

sinaptiche sempre a livello dell’ippocampo, così come una riduzione del numero stesso delle sinapsi (30, 31, 32). Le anomalie di sviluppo del sistema nervoso descritte contribuiscono al processo di degenerazione neuronale a cui vanno incontro precocemente e prematuramente i soggetti affetti da DS.

4. DEGENERAZIONE NEURONALE ED INVECCHIAMENTO PRECOCE NELLA SINDROME DI DOWN La trisomia di Hsa21 comporta non solo un’elevata incidenza di ritardo mentale, ma anche un aumentato rischio di sviluppare demenza, con le manifestazioni neuropatologiche caratteristiche della malattia di Alzheimer (AD), e più precocemente rispetto al resto della popolazione; nei soggetti con DS appaiono più precoci in generale tutti i processi di invecchiamento (33, 34). Se da un lato si assiste ad un progressivo aumento dell’aspettativa di vita per la DS, dall’altro si evidenzia pure un corrispettivo incremento del rischio di sviluppare patologie neurologiche associate ad un invecchiamento precoce, in particolare demenza. L’aumentato rischio di insorgenza di demenza e soprattutto di AD è caratteristico della DS e non si riscontra nei soggetti affetti da altre differenti forme di disabilità. Negli ultimi anni sono stati condotti diversi studi per comprendere i meccanismi alla base dei processi di degenerazione neuronale e di invecchiamento precoce ed accellerato che caratterizzano i pazienti affetti da DS e la correlazione tra AD e DS, con il principale scopo di introdurre nuove strategie terapeutiche.

11

5. LA SINDROME DI DOWN E LA MALATTIA DI ALZHEIMER: FATTORI DI RISCHIO E CORRELAZIONE NEUROBIOLOGICA Come nella popolazione generale, così anche nella DS, i principali fattori di rischio per l’insorgenza di AD sono il progressivo invecchiamento, il comportamento depressivo, le patologie a carico della tiroide e i danni cerebrali; un altro importante fattore di rischio tipico della DS è la familiarità per demenza presenile così come l’epilessia. Alcuni autori hanno riportato una maggior incidenza di nati affetti da DS nelle famiglie con storia familiare per AD

(35)

, altri invece hanno rilevato un aumentato rischio di

comparsa di AD nelle madri che hanno avuto figli affetti da DS prima dei 35 anni di età(36). Successivamente si è giunti alla conclusione che esiste, nella DSCR, un gene candidato per la familiarità per AD: questo gene codifica per il precursore della proteina amiloide (APP) (37, 38). Si stima che le prime manifestazioni di AD compaiono a 30-40 anni di età e che, a partire dai 60 anni, il 50-70% dei pazienti con DS sviluppa demenza senile

(39)

; la

maggioranza dei pazienti con DS, dopo i 30 anni, inizia a sviluppare modificazioni neuropatologiche cosidette “Alzheimer-like”: vengono interessate le stesse regioni cerebrali di AD, quali amigdala, ippocampo, aree della corteccia frontale, temporale e parietale, così come identiche sono le caratteristiche strutturali delle placche e le alterazioni a carico dei neurotrasmettitori (40). Diversi sembrano tuttavia i meccanismi patogenetici alla base della degenerazione neuronale nella DS rispetto ad AD: infatti le origini e l’evoluzione delle alterazioni morfologiche e biochimiche di AD nei soggetti affetti da DS sono da ricercare nelle fasi iniziali della vita; esiste pertanto una correlazione importante tra anomalie preesistenti

12

di sviluppo delle strutture dendritiche e della sinaptogenesi e degenerazione neuronale nella DS (41). Vari studi hanno evidenziato che mutazioni a carico del gene SORL1 (sortilin-related receptor 1), regolatore della produzione della proteina precursore dell’amiloide (APP), aumentano il rischio di insorgenza precoce di AD nei soggetti con DS

(42)

: infatti, in

presenza di trisomia 21, si realizza un incremento della produzione di APP e, di conseguenza, anche una aumentata formazione di beta amiloide (Abeta), sia di tipo A40 (Abeta40) che di tipo A42 (Abeta42); pertanto, già a partire dai 10 anni di vita, iniziano a depositarsi frammenti amiloidogenici a livello cerebrale con conseguente formazione di placche senili; il danno ossidativo ed i processi infiammatori a carico del tessuto nervoso accellerano questo processo, in particolare dopo i 40 anni. Tuttavia il deposito di proteina amiloide è un fattore necessario, ma non sufficiente per la patogenesi di AD e nei pazienti con AD senza DS non sono stati rilevati elevati livelli di proteina amiloide com nei soggetti affetti da DS. Nei pazienti con DS, la presenza di aumentati livelli di Abeta40 e Abeta42 è associata alla apoliproteina E4 (ApoE4) (43). Il gene che codifica per ApoE è localizzato sul cromosoma 19 e ha 3 alleli, epsilon 2 (ε2), epsilon 3 (ε3) ed epsilon 4 (ε4), i quali codificano rispettivamente per 3 isoforme ApoE2, ApoE3, ApoE4 (FIG. 3). Diversi studi hanno evidenziato che e4 costituisce un fattore di rischio per lo sviluppo di declino neurocognitivo e di demenza, in particolare di AD (44). Inoltre la presenza di e4, contrariamente agli altri aplotipi, correla con un più rapido declino neurocognitivo nei pazienti con DS che sviluppano un quadro AD-like: nei soggetti affetti da DS con genotipo ApoE4 si riscontra una correlazione inversamente proporzionale tra quoziente intellettivo totale (QIT) ed età

(45)

. Infine è

13

stato ipotizzata un’interazione tra ApoE4 e determinati aplogruppi di DNA mitocondriale (mtDNA) con conseguente suscettibilità allo sviluppo di AD (46). Le nuove tecniche di radiodiagnostica (MR, MRS, PET) hanno consentito di rilevare varie correlazioni tra le modifiche strutturali cerebrali nei pazienti affetti da DS che sviluppano demenza e quelle che si riscontrano nei malati di AD: i pazienti con DS presentano una significativa atrofia cerebrale solo quando hanno già sviluppato le manifestazioni cliniche di demenza; inoltre con il trascorrere degli anni sviluppano una progressiva

dilatazione

ventricolare

ed

ulteriore

riduzione

di

dimensione

dell’ippocampo, meno apprezzabili o non evidenti nei soggetti Down senza demenza (47, 48)

; sono state infine evidenziate alterazioni dei processi metabolici a livello delle

membrane cellulari nel tessuto cerebrale con conseguente degenerazione e morte neuronale (49).

FIGURA 3: Schema dei possibili genotipi relativi al polimorfismo triallelico del gene ApoE: ogni genotipo, fatta eccezione per il frammento da 35bp in comune, possiede una diversa combinazione di frammenti di HhaI; ε2/ε2 contiene frammenti da 91bp e 81 bp; ε3/ε3 contiene frammenti da 91bp e da 41bp; ε4/ε4 contiene frammenti da 48bp e 72bp.

14

6. CORRELAZIONE FRA DEFICIT IMMUNITARI ED INVECCHIAMENTO PRECOCE NELLA SINDROME DI DOWN La demenza, in particolare AD, e la degenerazione neuronale non rappresentano le uniche espressioni di invecchiamento precoce nella DS; esistono infatti altre manifestazioni cliniche e markers biochimici indicativi di “early aging”; fra questi in particolare la produzione di autoanticorpi e lo sviluppo di patologie autoimmuni. Alcuni autori hanno correlato la presenza di elevati livelli di autoanticorpi e la comparsa di malattie autoimmuni nei bambini, negli adolescenti e nei giovani adulti affetti da DS, con un precoce invecchiamento del sistema immunitario(50). Ancora oggi non è chiaro se le alterazioni del sistema immunitario osservate nella trisomia 21 siano semplicemente la conseguenza di un difetto intrinseco funzionale delle cellule linfocitarie o siano espressione di early aging (51, 52) Infatti, nella DS, anche il sistema immunitario, così come il sistema nervoso, sembra andare incontro a precoce invecchiamento: i deficit immunitari caratteristici della DS sono espressione di un difetto intrinseco iniziale, durante lo sviluppo, in presenza di trisomia 21; questo deficit primario sarebbe responsabile di un processo di prematuro invecchiamento del sistema immunitario (53). Nei pazienti con DS si osservano molteplici anomalie immunologiche, fra cui alterazioni delle sottopopolazioni cellulari linfocitarie, disfunzioni delle cellule del sistema immunitario, sviluppo di cellule tumorali e produzioni di autoanticorpi; si tratta di anomalie più frequentemente età-correlate e fanno appunto parte del quadro di “early aging”, caratteristico di DS (54). Un’altra caratteristica dei soggetti con DS è rappresentata dalla progressiva espansione di cellule con originaria attività di natural killer non funzionali: ne consegue un deficit della stessa attività natural killer (55).

15

7. LO STRESS OSSIDATIVO, LE MUTAZIONI DEL DNA MITOCONDRIALE E L’INVECCHIAMENTO PRECOCE NELLA SINDROME DI DOWN Negli ultimi anni sono stati condotti diversi studi relativamente a due principali eventi alla base dei fenomeni neurodegenerativi e del processo di invecchiamento precoce nella DS: lo stress ossidativo e le mutazioni del DNA mitocondriale (mtDNA). E’ noto che diverse patologie neuromuscolari degenerative sono associate a progressivo accumulo di danno ossidativo nel mtDNA del tessuto nervoso e numerose mutazioni di mtDNA stesso sono la causa di gravi malattie trasmesse per via materna. Oltre a mutazioni ereditarie, il mtDNA è soggetto ad un elevato tasso di mutazioni somatiche poiché è una molecola scarsamente protetta da proteine (al contrario del DNA nucleare che è protetto da molecole istoniche) ed inoltre si trova nelle immediate vicinanze dei siti di produzione dei radicali liberi dell’O2. Le cellule dei mammiferi possiedono da 100 a più di 1000 mitocondri, ciascuno dei quali può avere da 2 a più di 100 copie di mtDNA; mtDNA è una piccola molecola circolare di DNA di 16569 bp presente in molte copie all’interno di ciascun mitocondrio, è ereditato solo per via materna e rappresenta l’unico deposito di informazioni genetiche al di fuori del nucleo. Il mtDNA codifica per 22 tRNA, 2 rRNA e 13 polipeptidi componenti essenziali dei complessi della catena respiratoria necessaria per la produzione di ATP; tale produzione è essenziale per tutto il metabolismo cellulare ed il mantenimento dell’organismo. La principale funzione dei mitocondri non è solamente produrre ATP attraverso la catena respiratoria, ma anche regolare la formazione e lo smaltimento di reagenti dell’ossigeno (ROS, reactive-oxygen-species) e quindi di radicali liberi dell’ossigeno. Il numero e la funzione dei mitocondri sono regolati da una serie di proteine codificate dal DNA mitocondriale e nucleare.

16

Lo stress o danno ossidativo è definito come uno sbilanciamento tra processi biochimici che portano alla produzione di ROS e quelli responsabili della loro rimozione, la cosidetta “cascata cellulare antiossidante”: un evento di stress ossidativo si produce all’interno di una cellula quando si verifica uno squilibrio tra la produzione di radicali liberi e la capacità del sistema antiossidante di neutralizzarli. Il danno ossidativo si accompagna generalmente a difetti della respirazione mitocondriale e della fosforilazione ossidativa. E’ stato recentemente dimostrato che il difetto di riparazione del danno ossidativo di mtDNA ha un ruolo fondamentale nel processo di invecchiamento(56). La “teoria mitocondriale” dell’invecchiamento, revisione della teoria dei radicali liberi” (57)

, sostiene che, con il passare del tempo, si realizza un progressivo accumulo di

mutazioni a carico di mtDNA, con conseguente perdita di funzione e successiva morte accellerata delle cellule; il danno età-correlato degli enzimi della catena respiratoria comporta non solo una ridotta sintesi di ATP, ma anche un’aumentata produzione di ROS e di radicali liberi così che il mtDNA, non protetto da istoni e 10 volte più suscettibile a mutazioni rispetto al DNA nucleare, viene esposto al danno ossidativo. Con il trascorrere degli anni, in particolare già a partire dalla terza decade, le mutazioni a carico di mtDNA tendono sempre più ad aumentare così come risulta sempre più deficitaria sia la funzione bioenergetica sia l’efficienza trascrizionale dei mitocondri ed altrettanto compromessa sarà la capacità di riparazione del danno ossidativo (58). Nell’invecchiamento si assiste ad un progressivo declino dell’attività e delle funzioni dei sistemi antiossidanti mitocondriali con conseguente accumulo di danno ossidativo tissutale. La protezione delle strutture citoplasmatiche dal danno ossidativo avviene attraverso l’azione di tre sistemi enzimatici antiossidanti: la superossido dismutasi (SOD), la

17

catalasi (Cat) e la glutatione perossidasi (GPx); la cellula presenta un’omeostasi enzimatica in grado di neutralizzare la produzione di radicali liberi di origine esogena ed endogena, attraverso l’azione sinergica di SOD, Cat, GPx e della carbonil reduttasi (CBR): i principali enzimi antiossidanti danneggiati sono MnSOD (Mn2+-dependent superoxide dismutase), Cu/Zn SOD (copper/zinc superoxide dismutase), GPx (glutathione peroxidase), GR (glutathione reductase), and CAT (catalase) (59). Le mutazioni di mtDNA sono più frequentemente delezioni a carico di geni che codificano per tRNAs e mRNAs, essenziali per le funzioni mitocondriali; alcuni geni di mtDNA risultano più esposti allo stress ossidativo e quindi più suscettibili alle delezioni; in generale mtDNA è 20 volte più esposto al danno ossidativo rispetto al DNA nucleare. Il progressivo accumulo di ROS nell’invecchiamento determina non solo mutazioni di mtDNA, ma

induce l’apoptosi cellulare attraverso le alterazioni mitocondriali

conseguenti al danno ossidativo(60): la riduzione del numero di cellule attraverso l’apoptosi, in un tessuto/organo, ne determina la perdita di funzione: rimangono ancora da definire come vengano compromessi i processi enzimatici che regolano l’apoptosi cellulare. Nell’invecchiamento, vi è quindi una stretta correlazione fra down-regulation dell’apoptosi cellulare e danno ossidativo/ mutazioni di mtDNA. Per concludere si può affermare che il declino dela funzione respiratoria, la produzione mitocondriale di ROS, lo stress ossidativo e la suscettibilità all’apoptosi cellulare, connessi fra loro, rappresentano gli eventi cruciali del processo di invecchiamento (FIG. 4). Una sovraespressione di questi eventi, in presenza della trisomia di Hsa21, ed in particolare un’aumentato stress ossidativo costituirebbero la causa dell’invecchiamento

18

precoce ed accellerato nella DS(61): i pazienti affetti da DS infatti presentano una precoce condizione di suscettibiltà al danno ossidativo(62) e i principali markers di stress ossidativo sono già elevati nell’infanzia, in particolare è riportata una sovraespressione di superossido dismutasi (SOD)

(63)

, il cui gene mappa nella DSCR (21q22.11), e di

GPx(64). Nel processo di invecchiamento il danno ossidativo e le mutazioni di mtDNA si accumulano causando una progressiva perdita della funzione bioenergetica e dell’azione mitocondriale antiossidante. Di conseguenza si realizza un declino funzionale dei tessuti ed apoptosi/necrosi cellulare. L’alimentazione, il sistema ormonale, i fattori di crescita e l’esposizione a danni esterni, influiscono sul metabolismo mitocondriale, sullo stress ossidativo e sull’espressione genica.

19

FIG. 4: RUOLO DEL MITOCONDRIO NEL PROCESSO DI INVECCHIAMENTO Una parte dell’ossigeno della catena respiratoria non viene completamente ridotto e si generano ROS e radicali liberi dell’ossigeno, che generalmente vengono smaltiti dalla funzione coordinata dei sistemi enzimatici antiossidanti. Se questo meccanismo fallisce i ROS possono causare danno ossidativo e mutazioni di mtDNA. Ne consegue un’alterazione dei processi di trascrizione delle proteine codificate con ridotta efficienza nella sintesi di ATP ed ulteriore produzione di ROS.

20

8.

ALTERAZIONI

DEL

METABOLISMO

DELL’OMOCISTEINA

ED

IPERURICEMIA NELLA SINDROME DI DOWN: CORRELAZIONE CON LO STRESS OSSIDATIVO. L'omocisteina (tHcy) è un prodotto del metabolismo della metionina, aminoacido essenziale introdotto con la dieta. Normalmente il metabolismo di tHcy comprende 2 vie principali

(65)

remetilazione,

metionina-sintasi,

in

cui

sono

coinvolti

gli

enzimi

: 1) via della

metilenetetraidrofolatoreduttasi (MTHFR), betaina-sintasi, con metionina come catabolita finale; 2) via della transulfurazione, che sfrutta l'enzima cistationina-b-sintasi (CBS) e produce la cisteina. Nella via della remetilazione, tHcy può essere remetilato a metionina mediante due processi; nel primo, “ciclo dei folati”, in cui è fondamentale la presenza dell'acido folico, MTHFR riduce il 5,10-metilene-tetraidrofolato a 5-metiltetraidrofolato (5MTHF); quest'ultimo fornirà poi, in presenza della vitamina B12, il gruppo metilico necessario per la riconversione di tHcy in metionina; nel secondo processo, la reazione di remetilazione è svolta dall'enzima betaina-sintasi che produce metionina catalizzando il trasferimento di un gruppo metilico dalla betaina a tHcy. Nella via metabolica della transulfurazione invece CBS, coadiuvato dalla vitamina B6, catalizza la reazione di condensazione tra omocisteina e serina con formazione di cistationina che successivamente viene degradata a cisteina. Pertanto diverse vitamine del gruppo B, l'Acido Folico (vitamina B9), la Betaina (Trimetilglicina), la Cianocobalamina (vitamina B12), la Piridossina (vitamina B6) influenzano il metabolismo di tHcy e risultano essenziali per la riduzione dei livelli plasmatici di questo amminoacido.

21

Da alcuni anni è noto che un aumento dei livelli plasmatici di omocisteina, senza alcuna differenza di sesso, costituisce un importante fattore di rischio per lo sviluppo di malattie cardiovascolari, cerebrovascolari e vascolari periferiche

(66, 67, 68)

. E’ emerso

inoltre che l'iperomocisteinemia è un fattore di rischio per lo sviluppo della demenza e della malattia di Alzheimer (69). I soggetti affetti da DS presentano livelli di tHcy ridotti

(70)

; infatti il gene che codifica

per CBS è stato mappato sul cromosoma 21 ed in presenza di trisomia di Hsa21 viene sovraespresso; attraverso un’iperattivazione della transulfurazione, si determina una riduzione dei livelli plasmatici di tHcy; questo indirettamente determina da un lato una riduzione dell’attività della metionina-sintasi, dall’altro un accumulo di 5-MTHF. La ridotta attività della metionina-sintasi comporta una ridotta conversione di 5-MTHF in tetraidrofolato (THF), che rappresenta la forma metabolicamente attiva del folato, fondamentale per la produzione di nucleotidi per la sintesi di RNA e DNA: nei pazienti affetti da DS, pertanto si può avere un deficit funzionale di folati, pur in presenza di livelli plasmatici normali. Esistono tuttavia dei polimorfismi del gene che codifica per la metionina sintasi (MTR), associati ad ipermomocisteinuria (tHcy > 15 micromol/L) nei soggetti con DS (71). Le alterazioni del metabolismo di tHcy, in presenza di trisomia 21, sono strettamente correlate con lo stress ossidativo e, si ritiene, siano la causa principale dell’iperuricemia caratteristica dei soggetti con DS nei quali si riscontrano anche aumentati livelli plasmatici di adenosina, precursore dell’acido urico, ed iperattività dell’adenosina deaminasi; secondo alcuni autori l’iperuricemia in presenza di trisomia 21 è causata da un’eccessiva produzione di purina secondariamente a sovraespressione del gene GARSAIRS-GART, presente in Hsa21

(72)

; recentemente si sostiene invece che la

22

sovraespressione di CBS, attraverso una iperproduzione di adenosina, sia la principale causa di iperuricemia nella DS. Infine l’aumento dei livelli di acido urico e del suo corrispettivo prodotto ossidativo, l’allantoina, nei soggetti affetti da DS, è correlato ad un incrementato danno ossidativo (73)

. Nella FIG. 5 sono descritte le alterazioni dei processi metabolici di tHcy nella DS.

FIGURA 5: La sintesi e la riparazione del DNA da un lato e la metilazione cellulare dall’altro sono 2 processi metabolici che si intersecano con la sintesi della metionina, vitB12/folati dipendente: la metionina viene prodotta a partire dalla omocisteina e, contemporaneamente, si produce tetraidrofolato indispensabile per la sintesi di DNA/RNA. Nella sindrome di Down, i due geni CBS e SOD, presenti entrambi sul cromosoma 21, risultano sovraespressi con conseguenti alterazioni dirette ed indirette dei processi metabolici in cui sono coinvolti.

23

OGGETTO DI STUDIO 1. SINDROME DI DOWN E FATTORI DI RISCHIO NEL DECLINO NEUROCOGNITIVO A partire dal 2007, presso il Centro dello Studio delle Malformazioni Congenite dell’Unità Operativa di Neonatologia, in collaborazione con il Centro per le Disabilità linguistiche e cognitive (AUSL, Bologna) e con il Dipartimento di Patologia Sperimentale, C.I.G. (Centro Interdipartimentale “L. Galvani”) per Studi Integrati di Bioinformatica, Biofisica e Biocomplessità dell’Università di Bologna, è stato intrapreso uno studio con lo scopo di identificare, in una determinata popolazione di maschi e femmine in età adolescenziale/giovane-adulta, affetti da Sindrome di Down, parametri

biologici

e

fattori

genetici,

correlati

con

il

quadro

clinico

e

neuropsicologico/neuropsichiatrico, predittivi di precoce invecchiamento e decadimento neurocognitivo. L’dentificazione di determinati parametri metabolici biomarcatori di degenerazione neuronale costituisce la base di partenza per attuare appropriati interventi terapeutici mirati.

2. MATERIALI E METODI Nello studio sono stati arruolati 50 pazienti affetti da DS (diagnosi confermata da cariotipo), 26 maschi e 24 femmine (SEX RATIO: M/F = 1,08); i soggetti sono stati suddivisi in 3 fasce d’età: la fascia d’età di 1-18 aa, che comprende 13 pazienti (7 F e 6 M); la fascia d’età di 19-30aa, che comprende 20 pazienti (10 F e 10 M); la fascia d’età > 30 aa, che comprende 17 pazienti (7 F e 10 M). Sono stati, inoltre, inclusi la madre di ciascun paziente DS e, quando possibile, un fratello/una sorella di età/sesso comparabile, come caso controllo.

24

Sono stati esclusi pazienti con patologie acute in atto, pazienti con insufficienza epatica, renale o cardiaca, pazienti affetti da specifica malattia mitocondriale associata (situazione estremamente rara), pazienti che abbiano assunto negli ultimi due mesi polivitaminici o altre sostanze antiossidanti. Per ciascun paziente, previo consenso informato e mediante l’utilizzo di appropriate schede (Tavola 1: scheda compilativa), con relativa parte riservata anche alla madre e al fratello, sono stati raccolti i seguenti dati: -

anamnesi patologica recente e remota, con particolare attenzione alle presenza delle malattie più comunemente riscontrate nella DS e relativi percorsi terapeutici.

-

anamnesi socio-economica, con riferimento in particolare all’integrazione sociale e lavorativa del paziente affetto da DS e ai percorsi assistenziali sul territorio.

-

parametri auxologici, più specificatamente peso (P), altezza (H), circonferenza cranica (CC), circonferenza addominale (CA), indice di massa corporea (BMI) e relativi percentili.

-

esame neurologico, valutazione neuropsicologica e neuropsichiatrica, valutazione dello stato cognitivo e del linguaggio, in rapporto alle diverse età, mediante l’utilizzo di scale e test specifici (Tavola 2) e l’attribuzione di un determinato punteggio relativo alle diverse prove previste dai test stessi; prove di lateralità (74).

-

compilazione

del

QUESTIONNAIRE

questionario FOR

DSQIID

INDIVIDUALS

(DEMENTIA WITH

SCREENING

INTELLECTUAL

DISABILITIES) (75) per l’identificazione di fattori predittivi di demenza (Tavola 3), che prevede l’assegnazione di un punteggio per ogni singola domanda: un punteggio complessivo di 20 è indicativo di demenza. Ogni paziente è stato sottoposto a prelievo ematico (10-12 cc di sangue) per valutare non solo i principali parametri biochimici, comunemente misurati nell’ambito del

25

follow-up della DS, ma anche specifici biomarcatori della capacità antiossidante e dei livelli di stress ossidativo: emocromo completo con formula; VES; fibrinogeno, PT e PTT; elettroliti sierici; funzionalità renale (urea, creatinina); glucosio, fruttosamina e Hb glicata; funzionalità epatica (GOT, GPT, GT, bilirubinemia); assetto marziale (ferro, ferritinemia, transferrinemia), colesterolemia e trigliceridemia; protidemia totale ed albuminemia; doaggio delle immunoglobuline (IgG, IgM, IgA); studio delle sottopopolazioni linfocitarie; funzionalità tiroidea (TSH, FT3, FT4, Ab antiTg, Ab antiTPO); anticorpi antitransglutaminasi (IgA e IgG antiTTG); vitamina B12 e folati; zinchemia; uricemia; ammoniemia; omocisteina (tHcy) . Parte del campione ematico di ciascun paziente è stato utilizzato per la genotipizzazione di ApoE. Ciascun fratello è stato sottoposto a prelievo ematico per le seguenti indagini: emocromo completo con formula; VES; fibrinogeno, PT e PTT; funzionalità renale (urea, creatinina); vitamina B12 e folati; zinchemia; uricemia; ammoniemia; omocisteina. La genotipizzazione di ApoE è stata effettuata anche sui fratelli e nelle madri.

26

TAVOLA 1: SCHEDA COMPILATIVA

Scheda della madre Data prelievo Cognome Nome

Indirizzo

Telefono Luogo di nascita Regione d’origine Età Lavoro Scolarità Anamnesi familiare

Patologie pregresse

Patologie in corso

Data di nascita

27

Scheda fratello/sorella Data prelievo Cognome Nome

Indirizzo Telefono Data di nascita Età Lavoro Scolarità Patologie pregresse

Patologie in corso

28

Scheda paziente Data visita Cognome Nome Indirizzo Telefono Data di nascita Sesso Età CARIOTIPO Composizione nucleo familiare

Anamnesi familiare

Gravidanza

Parto (segnalare se sofferenza/ittero)

Allattamento

29

Sviluppo motorio

Sviluppo linguaggio

Ipersensibilità rumori forti (o altra alterata sensibilità)

Controllo sfinteri, alvo e diuresi

Ritmo sonno veglia, disturbi del sonno, russamento Sonno: frequenti risvegli, incubi notturni, frequenti cambiamenti di posizione nel sonno Mattino: difficoltà ad ingranare, mal di testa Durante il giorno. Irritabilità, sonnellini, difficoltà di concentrazione a scuola o nel lavoro

Alimentazione (domandare anche assunzione vino)

30

Patologie pregresse

Patologie in corso

Diagnosi epilessia

Terapia farmacologica

Dosaggio

Tempo in mesi di inizio terapia farmacologica

Frequenza crisi

31

Altre terapie farmacologiche

Lesione cerebrale (RMN, TAC)

EEG

Altri esami strumentali

Trattamento riabilitativo

Inizio trattamento riabilitativo

Risposta al trattamento riabilitativo

32

Scolarità

Frequenza centro diurno

Attività fisica

Lavoro

Dove vive (famiglia, comunità, istituto)

Abitudini di vita: (es televisione, uscita con gli amici…..)

Fumo

Aspetti del comportamento, stereotipie, tono dell’umore, autostima…….

33

Esame obiettivo neurologico Data visita

Cognome Nome

Data di nascita

Peso

Altezza

Circonferenza vita

Circonferenza anche

Circonferenza cranica

Cute

Nervi cranici

Occhi posizione primaria

34

Nistagmo

Tono muscolare

Forza muscolare

Riflessi superficiali

Riflessi profondi

Mingazzini arti superiori

Prova indice naso

Prova indice indice

Diadococinesi

Mingazzini arti inferiori

35

Prova calcagno ginocchio

Stazione eretta – Romberg

Marcia

Marcia tandem

Marcia punte

Marcia talloni

Altro

36

TAVOLA 2: Scale di valutazione dello stato cognitivo, del linguaggio, neuropsicologiche e neuropsichiatriche VALUTAZIONE COGNITIVA Bayley Scales of Mental Development Griffiths Mental Development Scales (0-2 anni) Scale Ordinali di Uzigiris e Hunt 0-2 anni Scala WPPSI WPPSI - Scala d’intelligenza Wechsler a Livello Prescolare e di Scuola Elementare per soggetti di età dai 3 anni 10 mesi ai 6 anni e 7 mesi Scala WISC-R WISC-R - Scala d’Intelligenza Wechsler per Bambini Revisionata per soggetti tra i 6 anni e i 16 anni Scala WAIS-R WAIS-R - Scala d’Intelligenza Wechsler per adulti Revisionata per soggetti di età superiore ai 17 anni Matrici Progressive di Raven dai 5 anni scala LEITER-R (2 -20 anni) TEST PER LO STUDIO DELL’INVOLUZIONE E DEMENZA Dementia Scale for Down’s Syndrome (DSDS) (Gedye, 1995) MODA (Milan Overall Dementia Assessment) MMSE (Mini Mental State Examination) VALUTAZIONE NEUROPSICOLOGICA Attenzione e concentrazione TEST DI SPAN (Digit, Block Tapping Test di P. Corsi) TEST DI CANCELLAZIONE (Mesulam, Zazzo) ATTENZIONE DISTRIBUITA (cifrario Wechsler) Memoria e apprendimento REY (Figure complesse A e B) VRT BENTON (Visual Retention Test) Visuospazialità e prassie BLOCK DESIGN (Costruzione di cubi, subtest Wechsler) VMGT BENDER (Visual Motor Gestalt Test) VOSP VALUTAZIONE DEL LINGUAGGIO prove di Rustioni per la comprensione morfosintattica dai 3 ai 7 anni test Peabody per la comprensione lessicale dai 3 anni e 9 mesi agli 11 anni e 6 mesi Token Test per esaminare la comprensione delle caratteristiche sintattiche e preposizionali del linguaggio ricettivo per tutti Test di denominazione di Sartori per valutare la capacità di denominazione FAS (Fluenza Verbale) e VOCABOLARIO (Subtest Wechsler) VALUTAZIONE NEUROPSICHIATRICA Childhood Autism Rating Scale (CARS) Autism Diagnostic Observation Schedule (ADOS) Autism Diagnostic Interview - Revised (ADI-R) Autism Behavior Checklist (ABC) Vineland - Adaptive Behavior Scales (VABS)

37

Tavola 3

DATA SUPPLEMENT: DEMENTIA SCREENING QUESTIONNAIRE INDIVIDUALS WITH INTELLECTUAL DISABILITIES (DSQIID)

FOR

DATA SUPPLEMENT TO BRITISH JOURNAL OF PSYCHIATRY (2007), 190, 440444

38

3. RISULTATI 3.1 PARAMETRI BIOCHIMICI I) AUMENTO DEI LIVELLI DI ANTICORPI ANTITIREOGLOBULINA (Ab antiTg) e ANTITIREOTROPINA (Ab antiTPO) Il campione in esame comprende 20 pazienti, 11 M e 9 F, già in trattamento farmacologico con levotiroxina; un altro paziente ha iniziato la terapia dopo il controllo ematochimico. Dei 50 pazienti studiati, 20 (40%), 13 F e 7 M, di cui 14 già in trattatamento farmacologico sostitutivo, presentano un aumento dei livelli di anticorpi antitiroidei: in 3 femmine si è rilevato un aumento dei soli Ab antiTg, in 7 soggetti (4 F e 3 M) un aumento dei soli Ab antiTPO, in 10 soggetti (6 F e 4 M) un aumento di entrambi gli autoanticorpi (Grafico 1); in 6 soggetti (5 M e 1 F) i titoli anticorpali sono risultati nei limiti della norma, in corso tuttavia di trattamento farmacologico con levotiroxina. Per quanto riguarda la suddivisione dei pazienti con elevati livelli di anticorpi antitiroidei nelle 3 fasce d’età considerate (Grafico 2), si rileva un aumento del titolo anticorpale in 6 (5 F e 1 M) dei 13 pazienti fra 1-18 anni d’età (46%), in 7 (4 F e 3 M) su 20 pazienti fra 19-30 anni (35%), in 7 (4 F e 3 M) su 17 pazienti con età > 30 anni (41%).

39

GRAFICO 1: DISTRIBUZIONE DEI LIVELLI AUMENTATI DI Ab antiTg E DI Ab antiTPO IN BASE AL SESSO DEI PAZIENTI

14 12 10

Ab antiTg + Ab antiTPO

8

Ab antiTPO 6

Ab antiTg

4 2 0 F

M

GRAFICO 2: DISTRIBUZIONE DEI LIVELLI AUMENTATI DI Ab antiTg E DI Ab antiTPO NELLE FASCE D’ETA’ DEI PAZIENTI

25 20 Asssenza di Ab

15

Ab antiTg + Ab antiTPO Ab antiTPO

10

Ab antiTg

5 0 1-18 aa

19 - 30 aa

> 30 aa

40

II) AUMENTO DEI LIVELLI DI OMOCISTEINA Relativamente al dosaggio di tHcy (valori di riferimento: 5-10 μmol/L), 26/50 pazienti (52%) presentano livelli normali; 20 soggetti (40%), 13 M e 7 F, presentano livelli superiori a 10 μmol/L ed, in particolare, 9 tra 10 e 13 μmol/L e 11 tra 13 e 60 μmol/L; bassi livelli di tHcy sono stati rilevati solamente in 4 pazienti (8%), tutte femmine (Grafico 3). La metà dei pazienti con livelli di tHcy aumentati (6 M e 4 F) rientra nella fascia d’età 19-30 aa (Grafico 4). Dei 20 soggetti con aumento di tHcy, 15 (75%) presentano una normale funzionalità tiroidea; mentre tutti e 4 i soggetti con livelli di tHcy diminuiti presentano aumento degli Ab antiTPO e degli Ab antiTG (Grafico 5). Confrontando i livelli di tHcy nei nostri pazienti con quelli riscontrati nei fratelli, quando presenti, si può rilevare che, su 20 soggetti DS con tHcy aumentata, 6 (30%), 4 M e 2 F hanno un fratello/una sorella con corrispettivi livelli di tHcy elevati.

41

GRAFICO 3: DISTRIBUZIONE DEI LIVELLI DI tHcy NEI PAZIENTI IN BASE AL SESSO

18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

tHcy = 5-10 micromol/L tHcy > 10 micromol/L tHcy < 5 micromol/L

F

M

GRAFICO 4: DISTRIBUZIONE DEI LIVELLI DI tHcy NEI PAZIENTI IN BASE ALLE FASCE D’ETÀ

20 16 tHcy < 5 micromol/L

12

tHcy = 5-10 micromol/L 8

tHcy > 10 micromol/L

4 0 1-18 aa

19 - 30 aa

> 30 aa

GRAFICO 5: CORRELAZIONE FRA LIVELLI DI tHcy E LIVELLI DI Ab antiTg e Ab antiTPO

30 25 20

Fx tiroidea nn

15

Ab antiTg e AbantiTPO > 10 5 0

tHcy 5-10

tHcy > 10

tHcy < 5

42

III) IPERURICEMIA Dei 50 pazienti arruolati, 13 (26%), 10 M e 3 F, hanno manifestato un incremento dei livelli di acido urico (> 7 mg/dl): 3 nella fascia d’età 1-18 aa, 7 nella fascia d’età 19-30 aa, 3 nella fascia d’età > 30aa (Grafico 6).

GRAFICO 6: DISTRIBUZIONE DEI LIVELLI DI ACIDO URICO NEI PAZIENTI IN BASE ALLE FASCE D’ETÀ

25 20 15

Acido urico nn Acido urico >

10 5 0 1-18 aa

19 - 30 aa

> 30 aa

IV) Per quanto riguarda la presenza di deficit a carico del sistema immunitario, nessuno dei pazienti studiati presenza alterazioni significative dei livelli di immunoglobuline e delle sottopopolazioni linfocitarie, in confronto con i valori di riferimento per età nella popolazione generale e, in particolare, in rapporto ai valori riscontrati nei fratelli. Nessun paziente, inoltre, presenta positività degli anticorpi antitransglutaminasi (antiTTG), principali indicatori biochimici di malattia celiachia, che rientra nei disordini del sistema immunitario più frequenti della DS; così come non si rilevano modificazioni dei principali parametri biochimici indicatori di diabete mellito (glicemia, fruttosamina, Hb glicata, Anticorpi antiInsulina), altra patologia autoimmune ad alta incidenza nei soggetti con DS. Infine non si segnalano alterazioni significative dei restanti parametri valutati.

43

3.2 VALUTAZIONI NEUROCOGNITIVE, PSICOLOGICHE, PSICHIATRICHE I) Sulla base delle valutazioni neurocognitive effettuate, relativamente al quoziente intellettivo totale (QIT), si riscontra che, su 50 pazienti, 10 (20%) presentano RM lieve (QIT = 55-70), 23 (46%) presentano RM medio (QIT= 45-55), 5 (10%) presentano RM grave (QIT= 35-45), 12 (24%) presentano RM molto grave (QIT < 35) - (Grafico 7). Su un totale di 26 maschi, 4 presentano RM lieve, 13 RM medio, 4 RM grave e 5 RM molto grave; su un totale di 24 femmine, 6 presentano RM lieve, 10 RM medio, 1 RM grave e 7 molto grave (Grafico 8). In base alle diverse fasce d’età (Grafico 9), si rileva che: -

su 13 pazienti nella fascia d’età 1-18aa, 1 femmina presenta RM lieve, 5 (3 M e 2 F) RM medio, 2 (1 M e 1 F) RM grave, 5 (3 F e 2 M) RM molto grave.

-

su 20 pazienti nella fascia d’età 19-30 aa, 6 (4 F e 2 M) presentano RM lieve, 11 (6 M e 5 F) RM medio, 2 maschi RM grave, 1 femmina RM molto grave

-

su 17 pazienti nella fascia d’età > 30 aa, 3 (2 M e 1 F) presentano RM lieve, 7 (4 M e 3 F) RM medio, 1 maschio RM grave, 6 (3 M e 3 F) RM molto grave.

44

GRAFICO 7: INCIDENZA DI RITARDO MENTALE NEI PAZIENTI

46% 10%

20%

24%

QIT < 35 QIT 35-45 QIT 45-55 QIT 55-70

GRAFICO 8: DISTRIBUZIONE DEL QIT NEI PAZIENTI IN BASE AL SESSO

30 25

QIT < 35

20

QIT 35-35 15

QIT 45-55

10

QIT 55-70

5 0 F

M

GRAFICO 9: DISTRIBUZIONE DEL QIT NELLE 3 FASCE D’ETA’

25 20 QIT <35 15

QIT 35-55

10

QIT 45-55 QIT 55-70

5 0 1-18 aa

19 - 30 aa

> 30 aa

45

II) Per quanto riguarda la valutazione del quoziente intellettivo verbale (QIV) si riscontra che la maggioranza dei pazienti presenta un QIV lievemente e moderatamente basso (Grafico 10); infatti su 50 pazienti, 19 (38%), 10 M e 9 F, presentano QIV lievemente basso (55-70), 17 (34%), 10 M e 7 F, QIV moderatamente basso (45-55), 5 (10%), 4 F e 1 M, QIV molto basso (35-45) e 9 (18%), 5 M e 4 F, QIV estremamente basso (< 35). Su 13 pazienti nella fascia d’età 1-18aa, 3 (2 M e 1 F) presentano QIV lievemente basso, 3 (2 F e 1 M) QIV mediamente basso, 5 (4 F e 1 M) QIV molto basso, 2 maschi QIV estremamente basso; su 20 pazienti nella fascia d’età 19-30 aa, 12 (7 F e 5 M) presentano QIV lievemente basso, 7 (5 M e 2 F) QIV moderatamente basso, 1 femmina QIV estremamente basso; su 17 pazienti nella fascia d’età > 30 aa, 4 (3 M e 1 F) presentano QIV lievemente basso, 7 (4 M e 3 F) QIV moderatamente basso, 6 (3 M e 3 F) QIV estremamente basso (Grafico 11). III) La valutazione della performance (QIP) evidenzia che la maggioranza dei nostri pazienti presenta QIP tra 45-55 (Grafico 12); infatti 15 soggetti (30%), 8 F e 7 M, presentano QIP lievemente basso (55-70), 20 (40%), 13 M e 7 F, QIP moderatamente basso (45-55), 5 (10%), 4 F e 1 M, QIP molto basso (35-45), 10 (20%), 5 M e 5 F, QIP estremamente basso (< 35). Su 13 pazienti nella fascia d’età 1-18aa, 1 femmina presenta QIP lievemente basso, 4 soggetti (3 M e 1 F) QIP moderatamente basso, 5 (4 F e 1 M) QIP molto basso, 3 (2 M e 1 F) QIP estremamente basso; su 20 pazienti nella fascia d’età 19-30 aa, 6 (3 M e 3 F) presentano QIP lievemente basso, 13 (7 M e 6 F) QIP mediamente basso, 1 femmina QIP estremamente basso; su 12; su 17 pazienti nella fascia d’età > 30 aa, 7 (4 M e 3 F) presentano QIP lievemente basso, 4 (3 M e1 F) QIP moderatamente basso, 6 (3 M e 3 F) QIP estremamente basso (Grafico 13).

46

GRAFICO 10: PUNTEGGIO DI QIV NEI PAZIENTI

38%

34% 10%

QIV < 35

18%

QIV 35-45 QIV 45-55 QIV 55-70

GRAFICO 11: DISTRIBUZIONE DEL QIV NELLE 3 FASCE D’ETA’

25 20

QIV <35

15

QIV 35-55

10

QIV 45-55 QIV 55-70

5 0 1-18 aa

19 - 30 aa

> 30 aa

GRAFICO 12: PUNTEGGIO DI QIP NEI PAZIENTI

30%

40% 10%

20%

QIP < 35 QIP 35-45 QIP 45-55 QIP 55-70

GRAFICO 13: DISTRIBUZIONE DEL QIP NELLE 3 FASCE D’ETA’

25 20

QIP <35

15

QIP 35-55

10

QIP 45-55 QIP 55-70

5 0 1-18 aa

19 - 30 aa

> 30 aa

47

Si rileva inoltre che, in più della metà dei pazienti, ad un determinato grado di QIT corrisponde perfettamente lo stesso grado sia di QIV che di QIP (Grafico 14). Dalla correlazione fra grado di RM e titolo anticorpale di antiTg e antiTPO,

si

evidenzia che, su 20 pazienti con aumento degli anticorpi, 5 (25%), 4 F e 1 M, presentano RM lieve, 10 (50%), 5 F e 5 M, RM medio, 1 femmina RM grave, 4 (20%) RM molto grave.

GRAFICO 14: CORRELAZIONE DI QIT, QIV e QIP NEI PAZIENTI

25 20 15

QIT QIV

10

QIP

5 0 < 35

35-45

45-55

55-70

IV) Nell’ambito della valutazione della memoria, emerge in ciascuno dei 50 pazienti studiati, un deficit sia nella componente “memoria di cifre”(con punteggio medio 2  1 rispetto a quello normale pari a 10), sia nelle componenti “verbale” (span verbale) e “spaziale” (con punteggio medio 3  1 rispetto a quello normale di 6-7): i punteggi attribuiti ai soggetti relativamente alla memoria spaziale si avvicinano di più ai valori normali. Nonostante in ogni paziente si denota un’ampia discrepanza fra età mentale ed età anagrafica, ciascuno soggetto ha manifestato sostanzialmente una buona capacità adattativa all’ambiente (test di Vineland) con buone prestazioni sociali e cognitive (quoziente di sviluppo), rispetto ai dati riportati in letteratura.

48

V) Nell’ambito della valutazione psicomotoria, le prove di dominanza/lateralità, disponibili di 40 pazienti su 50 arruolati (vedi Grafico 15 e 16), evidenziano: dominanza dell’arto superiore sinistro (AS sn) in 10 pazienti (25%), 5 M e 5 F, rispetto al 10-12% nella popolazione generale; dominanza dell’arto superiore destro (As dx) in 27 (67,5%), 14 M e 13 F; nessuna dominanza dell’arto superiore (As sn/dx) in 3 (7,5%), 2 M e 1 F.

GRAFICO 15: INCIDENZA di DOMINANZA ARTO SUPERIORE SINISTRO NEI PAZIENTI STUDIATI

67,5% AS sn

25%

AS dx

7,5%

As sn/dx

GRAFICO 16: LATERALITA’ NEI PAZIENTI STUDIATI IN BASE AL SESSO

25 20 AS SN/AS DX

15

AS DX AS SN

10 5 0 F

M

49

Su 10 pazienti con dominanza AS sn, 7 (70%), 3 M e 4 F, presentano aumentati livelli di Ab antiTPO e Ab antiTG, rispetto a 9 su 27 pazienti (33%) con dominanza AS dx ed aumentati livelli di anticorpi antitiroidei (Grafico 17).

GRAFICO 17: LATERALITA’ NEI PAZIENTI STUDIATI IN BASE ALLA FUNZIONALITA’ TIROIDEA

30 25 20

Ab antiTg e antiTPO

15

FX tiroidea nn

10 5 0 AS SN

AS DX

I soggetti con dominanza AS sn presentano prevalentemente RM da lieve a medio: su 10 pazienti con dominanza AS sn, 4 (3 F e 1 M) presentano RM lieve; 3 (2 M e 1 F) RM medio; 2 (1 M e 1 F) RM grave; 1 femmina RM molto grave. I pazienti con dominanza AS dx presentano prevalentemente RM da medio a molto grave: su 27 pazienti con dominanza AS dx, 6 (4 F e 3 M) presentano RM lieve; 12 (6 F e 6 M) RM medio, 9 (5 F e 4 M) RM molto grave (Grafico 18).

GRAFICO 18: CORRELAZIONE TRA QIT E LATERALITA’ NEI PAZIENTI

30 25 QIT < 35

20

QIT 35-35 15

QIT 45-55

10

QIT 55-70

5 0 AS SN

AS DX

50

Infine, relativamente al questionario DSQIID, un punteggio di 20 indicativo di demenza, è stato raggiunto in 3 pazienti, 2 F e 1 M, nella fascia d’età > 35 aa.

51

3.3 GENOTIPIZZAZIONE APOE4 Per quanto riguarda i soggetti DS, è stato possibile effettuare la genotipizzazione di ApoE in 46 su 50 arruolati (Grafico 12): 30 pazienti (65,2%), 17 M e 13 F, presentano genotipo ε3/ε3 (ApoE4 -); 10 pazienti (21,7%), 5 M e 5 F, presentano genotipo ε3/ε4 (ApoE4+), i restanti 6 (13%), 4 M e 2 F, presentano genotipo ε2/ε3 (ApoE4 -). Su 10 pazienti ApoE4 + , 3 (2 F e 1 M) presentano RM lieve, 3 maschi RM medio, 4 (3 F e 1 M) RM molto grave. Per quanto riguarda le madri, è stato possibile effettuare la genotipizzazione di ApoE in 34 donne: 7 madri (20.6%) presentano genotipo ε3/ε4. Per quanto riguarda i fratelli, è stato possibile effettuare la tipizzazione di ApoE in 34 soggetti: 8 (23,5%) presentano genotipo ε3/ε4. In 4/10 pazienti ApoE4+ anche la madre ed il fratello sono ApoE4+, 2/10 pazienti ApoE4+ hanno solamente la madre ApoE4+, 2 solamente il fratello ApoE4+; nei restanti 2 pazienti ApoE4+ sia la madre che il fratello sono ApoE4- (Grafico 13).

52

GRAFICO 12: GENOTIPIZZAZIONE ApoE NEI PAZIENTI

65,2% 21,7%

13%

e3/e3 e2/e3 e3/e4

GRAFICO 13: CORRELAZIONE GENOTIPO ApoE4 DEI PAZIENTI CON QUELLO DELLA MADRE E DEL FRATELLO

35 30 25

Madre e fratello ApoE4-

20

Fratello ApoE4+

15

Madre ApoE4+ Madre e fratello ApoE4+

10 5 0 ApoE4+

ApoE4-

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4. PROSPETTIVE FUTURE E’ attualmente in corso un’altra indagine più mirata per la valutazione dello stress ossidativo nei pazienti inclusi nello studio: il sequenziamento completo del mtDNA (16569 bp). Si ricorda che mtDNA viene ereditato solo dalla madre sia nei figli maschi che femmine e, per questo, il mtDNA materno diviene un riferimento ed uno standard (quindi il miglior controllo) per rilevare eventuali differenze e mutazioni che siano avvenute e si siano accumulate con l’età nel mtDNA del figlio affetto da DS. L’eventuale raccolta di campioni di mtDNA del fratello/della sorella del soggeto con DS rappresenta un ulteriore controllo sulla presenza di mutazioni del mtDNA. Qualsiasi sia il sesso del soggetto in esame questo non è rilevante perché è solamente la madre responsabile dell’eredità del mtDNA stesso. Per questo una parte del campione ematico di ciascun paziente e dei rispettivi madre e fratello/sorella quando presente è stato utilizzato per l’estrazione del DNA così da poter procedere con il sequenziamento del mtDNA. Si tratta di una metodica altamente complessa, comprendente più fasi di processamento e, quindi, richiede molto tempo nella sua esecuzione. Il sequenziamento completo prevede i seguenti passaggi: 1) amplificazione dell’intero mtDNA; 2) purificazione dei prodotti di PCR; 3) reazione di sequenziamento; 4) purificazione della reazione di sequenziamento; 5) sequenziamento automatico con elettroforesi capillare; 6) analisi delle sequenze con software SeqScape v.2.5 (Applied Biosystems) per rinominare perfettamente le basi nucleotidiche ed allineare ed assemblare i frammenti di mtDNA sequenziati.

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Le sequenze ottenute vengono infine confrontate con la prima sequenza completa del mtDNA umana, “sequenza di riferimento di Cambridge”, per evidenziare eventuali polimorfismi e mutazioni. Sarà così possibile identificare nei pazienti con DS mutazioni a carico di mtDNA associate a danno ossidativo nel processo di degenerazione neuronale ed invecchiamento.

FIG.6: DNA MITOCONDRIALE (mtDNA) UMANO

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CONCLUSIONI Nell’ambito dei parametri biochimici indicatori di stress ossidativo e predittivi di invecchiamento precoce, dallo studio condotto emerge che il 40% dei nostri pazienti DS presenta una patologia tiroidea di tipo autoimmune con una lieve prevalenza nelle femmine rispetto ai maschi e nelle fasce d’età 1-18 aa e > 30 aa. Non si segnala la presenza di altre patologie di carattere autoimmune, espressione di invecchiamento precoce del sistema immunitario. Per quanto riguarda invece l’omocisteinemia, contrariamente ai dati riportati in letteratura, emerge una modesta prevalenza di livelli normali nei nostri pazienti (52%): questo è espressione di una buona capacità antiossidante. Tuttavia una percentuale relativamente elevata di soggetti (40%), senza particolari differenze di sesso, con una prevalenza nella fascia d’età 19-30 aa, presenta una lieve/moderata iperomocisteinemia che correla con un aumentato rischio di sviluppo di demenza. Nella nostra casistica, inoltre, emerge una correlazione inversamente proporzionale tra omocisteinemia e livelli di anticorpi antitiroidei: infatti vi è un’elevata incidenza di soggetti con iperomocisteinemia e normali livelli di Ab antiTg e Ab antiTPO (75%), mentre tutti i pazienti con ridotta omocisteinemia presentano un aumento del titolo anticorpale (p<0.005). Infine nel 30% dei pazienti con iperomocisteinemia, anche il fratello/la sorella, come caso controllo, presenta un corrispettivo aumento dei livelli di tHcy: del resto mutazioni geniche responsabili di un aumento dei livelli plasmatici di tHcy potrebbero essere presenti non solo nei soggetti DS, ma anche nell’ambito della stessa famiglia (ricorrenza familiare o nella fratria). Relativamente all’aumento dei livelli plasmatici di acido urico, come espressione di danno ossidativo, è stata riscontrata iperuricemia nel 26% dei nostri pazienti.

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In conclusione, anche sulla base dell’assenza di alterazioni dei restanti parametri biochimici valutati (in particolare vitamina B12 e folati), si può affermare che la maggioranza dei nostri pazienti presenta un’adeguata capacità antiossidante. Dalle valutazioni neurocognitive, psicologiche e psichiatriche, effettuate sui nostri pazienti, con particolare attenzione per i fattori indicativi e predittivi di degenerazione neuronale, emerge una prevalenza di RM da medio (QIT = 45-55) a molto grave (QIT < 35), senza particolari differenze di sesso; si rileva inoltre una lieve prevalenza di RM lieve e medio nei pazienti d’età 19-30 aa, mentre nei soggetti d’età 1-18aa e > 30 aa prevale RM da medio a molto grave; questo dato nei soggetti con età > 30 aa può correlare con il declino neurocognitivo. Risultati analoghi si ottengono quando si valutano i punteggi relativi al QIV e al QIP: in più della metà dei pazienti, si rileva una perfetta corrispondenza tra grado di QIT, grado di QIV e grado di QIP. Nei nostri pazienti non emergono correlazioni significative tra grado di RM e patologia tiroidea. Infine, in base ai risultati del test di Vineland, si può affermare che ciascun paziente, nonostante il riscontro di un’ampia discrepanza fra età mentale ed età anagrafica, presenta un adattamento sociale buono e comunque superiore rispetto a quanto riportato in letteratura per la DS. Per quanto riguarda i risultati delle prove di dominanza/lateralità nell’ambito della valutazione psicomotoria dei pazienti, si riscontra una prevalenza di dominanza dell’arto superiore destro (67,5%), anche se l’incidenza di dominanza dell’arto superiore sinistro nei nostri soggetti DS, in accordo con i dati della letteratura, è comunque superiore rispetto a quella del resto della popolazione (25% contro 10-12%). Nella nostra casistica non emerge alcuna correlazione tra grado di RM e

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dominanza/lateralità, mentre si rileva che nel 70% dei soggetti DS la dominanza dell’arto superiore sinistro si associa ad aumentati livelli di Ab antiTG e Ab antiTPO. Nelle osservazioni condotte fino ad ora, un quadro neurologico specifico di demenza è stato identificato, tramite il questionario DSQIID, solamente in 3 pazienti, nella fascia d’età > 30 aa, di cui 2 di anni 60 e 1 di anni 33; il dato di una scarsa incidenza di demenza nella nostra casistica, potrebbe dipendere dalla prevalenza di soggetti DS giovani adulti con età inferiore rispetto a quella in cui, come riportato in letteratura, insorge il declino neurocognitivo della DS. Risulta pertanto fondamentale un’osservazione neurologica evolutiva dei pazienti così da rilevare con il passare degli anni le progressive modificazioni neurocomportamentali che caratterizzano il decadimento neurocognitivo nel processo d’invecchiamento. Attualmente i dati genetici relativi allo stress ossidativo e alla degenerazione neuronale a nostra disposizione sono rappresentati esclusivamente dalla genotipizzazione di ApoE, condotta solo su una parte del campione; i nostri pazienti sono in prevalenza ApoE4 negativi (65,2%) e, quindi, genotipicamente non predisposti a declino neurocognitivo e allo sviluppo di AD; nei pazienti ApoE4 positivi, in accordo con la letteratura, si evidenzia un grado di RM da medio a severo. Il sequenziamento del mtDNA in corso consentirà di rilevare possibili mutazioni correlabili, sulla base dei quadri neurologici e neuropsichiatrici definiti, allo stress ossidativo e al declino neurocognitivo nei nostri soggetti DS con l’obiettivo di realizzare, specie nei pazienti più giovani, interventi terapeutici preventivi dell’insorgenza di demenza.

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