Conferencia2

“Organització cel•lular del cervell i malaltia neurodegenerativa”

Josep E. Esquerda

“The brain is one of the last great frontiers in the biological sciences, and unraveling of its mysteries is compar able in complexity and intellectual challenge to the resear ch for the elementary particles of the matter or the effort to explore the space ” (I. Levitan and L.K. Kaczmarek, 1991)

Obtindre informació de l’entorn

Processament i emmagatzematgede l’informació

Generació de comportament

Autoconsciència, Processos cognitius i emocionals Processos mentals geniuinament humans

SISTEMA NERVIÓS

O Tell me where is fancy bredOr in the heart or in the head

The Merchant of Venice

William Shakespeare, 1564-1616

De humani corporis fabrica

Renaixement: André van Wesele (Vesalio) (1514-1564)Renaixement: André van Wesele (Vesalio) (1514-1564)

Anthonie van Leeuwenhoek (1632-1723 )Portrait by Jan Verkolje 1670, Rijksmuseum Amsterdam

Segle XVII i XVIII: primers estudis microscòpicsSegle XVII i XVIII: primers estudis microscòpics

1665 1900

1837, Matthias J. Schleiden 1839 Theodor Schwann

TEORIA CELULAR

Neurona dissociada de medul.la espinal de bou (Deiters, 1865)

Schroeder Van del Kolk (1859) Gerlach i Deiters(1865)

Golgi (1891, 1907)

Apáthy (1897)

Bethe (1900-4), Nissl (1903)

Camillo Golgi (1843-1926)

Jacobson, 1993

Carrer Notariat nº 7 de Barcelona

Conectivitat de les vies motores i sensitives

voluntaries segons Cajal , 1899

Santiago Ramón y Cajal (1852-1934)

Siemens ‘Elmiskop 1’ electron microscope,Germany, 1955

Sorvall Porter-Blum Ultramicrotome

≈1950

220607_P6 _SMA Diaphragm220607_P6 _SMA Diaphragm

Cajal, Palay, Fawcett, Heuser i altres

Olympus FV1000 confocal microscope ≈2000

Litchmann

The brain’s connectome

Reconstruction of 114 rod bipolar nerve cells from a piece of mouse retina. Each cell has a different colour. The dense bundles are dendrites, and the sparser processes are axons.

Moritz Helmstädter; Max Planck Institute for Medical Research, Heidelbergf

Feng Pan, Wen-Biao Gan, Develop Neurobiol (2008)

�Nombre de neurones: 100 X1012 *

�Nombre de sinapsis: 1000 X1012 de sinapsis (Cortex)

�Contades a una velocitat d’una cada segon,es tardaria 32 X106 anys en finalitzar el recompte

�Les possibles combinacions que es poden formar donenuna xifra astronòmica de l’ordre de 10 seguit de 10 6 zeros

Gerald Edelman

Complexitat del sistema nerviós

(el número de partícules positives el tot l’univers es de 10 segut de 80 zeros)

*Kandel, 2013

Squid giant axon

The Hodgkin–Huxley model

Alan L Hodgkin Sir John EcclesAndrew F. Huxley

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1963

Action Potential

Action Potential (Voltage clamp)

Viktor Hamburger(1900-2001)

Nerve Growth Factor

Malalties Neurodegeneratives

� Malaltia d’Alzheimer� Malaltia de Parkinson� Malaltia de Huntington � Escleròsis Lateral Amiotròfica

Mattson MP, and Magnus T (2006) Nature Rev. Neurosci. 7:279-294

Bertram, L. et al. J. Clin. Invest. 2005;115:1449-1 457

Overview of the anatomical location of and macroscopic and microscopic changes characteristic of

the neurodegenerative disorders discussed in this review

Bàsica no orientada

Bàsica orientada

Translacional

Clínica

Cap a la troballa d’un tractament eficaç

-la recerca científica en biomedicina i els seus di stints nivells-

Assaigs Clínics

Emergència d’un noudescobriment (coneixement)

Emergència d’una nova aplicació (p.e. tractament)

2006Centenary of Alois Alzheimer’s seminal presentation to the 37th Meeting of South-west German Psychiatrists held in Tu¨bingen, Germany. Alzheimer described the results of his postmortem studies on a 51-year-old-female patient known as Auguste D., who had suffered from a progressive preseniledementia. In the following year, a paper entitled ‘U¨ber eine eigenartige Erkrankung der Hirnrinde’describing these findings was published in Allgemeine Zeitschrift für Psychiatrie und psychisch-gerichtliche Medizin (Alzheimer 1907). This paper was a landmark in our understanding of the disease which now bears his name.

Malaltia d’Alzheimer

Malaltia d’Alzheimer

�Es la causa més freqüent de demència. Habitualment s’inicia a partir dels65 anys amb l’instauració d’una pèrdua de memòria progressiva que s’acompanyade deficiència en altres tasques cognitives con son la capacitat per calcular, per l’orientació visuo-espacial i pel llenguatge. No hi ha altres signes clínics més enllà de la demència i les imatges de RMN mostren atròfia i dilatació ventricular.

�L’examen patològic de cervells amb Alzheimer mostra una atròfia severa amb reduccions del pes de mes del 35%. Els solcs son més enfonsats i les circumvolucions més estretes i el 3er i 4rt ventricles es troben dilatats. Hi ha pèrdua tant de la substància blanca com de la substància gris especialment en el lòbul temporal.

�A nivell microscòpic es troba pèrdua neuronal, dipòsits de plaques amiloides, garbuixos de neurofibril.les i inflamació secundària.

�No hi ha tractament per prevenir a aturar la progressió de la malaltia

Malaltia d’Alzheimer

Plaques senilsCabdells neurofibril.lars (tau)

05

101520253035404550

65-74 75-84 85+

Malaltia d’AlzheimerL’edat com a factor primari de risc

% d

e pr

eval

ença

edat

Malaltia d’Alzheimer: factors genètics� Mutacions asociades a casos familiars d’inici primerenc. (1-5 % de cassos)

� Gen de la Proteína Precursora de Amiloide (APP; OMIM *104760) (Cromosoma 21) � Gen de la Presenilina 1 (PSEN1; OMIM *104311) (Cromosoma 14) � Gen de la Presenilina 2 (PSEN2; OMIM *600759) (Cromosoma 1)

�Polimorfismes que poden incrementar la susceptibilitat de patir Alzheimer esporàdic (90-95% de cassos)

�Alel ε4 del gen de la Apolipoproteína E (APOE) (Cromosoma 19)�Síndome de Down

�Gen de la α-2 macroglobulina . �Gen del receptor de lipoproteínas de molt baixa densitat (VLDL)�Gen de la α-1 antiquimiotripsina�Gen de butirilcolinesterassa K�Gen de Ubiquitina�Gen de la proteína ττττ�Gens mitocondrials (Citocrom-oxidasses I y II ) �Genes de las interleucines 1A y 1B�Altres, fins a uns 70 gens

confirmats

No universalment confirmats (resultats variables en els

estudis de rèplica)

Malaltia d’Alzheimer

Malaltia d’Alzheimer

Processament del la proteïna precursora de la amilo ide (APP)

Citron M (2004) Nature Rev. Neurosci 5:677-685

Malaltia d’Alzheimer

Estratègies terapèutiques

I. Potenciació de la neurotransmissió sinàptica i N europrotecció

� Anticolinesteràssics (tacrina, donocepilo, rivastigmina, galantamina) *

� Factors Neurotròfics (NGF)**

* Aprovat el seu ús** Assaig clínic fase I

Cholinergic synapse

Target and

non-targetregulation

of neuronal survival

MICROGLIA

Neuregulins(NGS)

acting onSchwann cells

via ErBb2

Target-derivedneurotrophic

factors

GDNF acting viaRet/GDNFRαααα

BDNF

BDNF autocrineloop acting on TrkB

SCHWANN

CELL

Anterogradedelivered

neurotrophinsacting

via Trks

Afferent

Ca2+ Survivalsignaling

VSCC

ASTROCYTE

NGF actingvia p75

Neurotrophins

TrkB

Afferent

Target

Afferents

(-)

(-)

LyncAMP

Depolarization byexcitatory inputs

AMPA

BDNF

NGF

CNTFGDNF bFGF

BMPs

TrkB

+

Cytotoxicmolecules

GDNF

NGS

(-)NMDA mGluR

II and III

Glutamate

Glutamate

Glutamate

NGFBDNFIGFLIFNT3

S100

Ca2+

Deathsignal

+

CNTF

Schwann cell-derived factors

acting via receptors on

neurons (axon)

MICROGLIA

Neuregulins(NGS)

acting onSchwann cells

via ErBb2

Target-derivedneurotrophic

factors

GDNF acting viaRet/GDNFRαααα

BDNF

BDNF autocrineloop acting on TrkB

SCHWANN

CELL

Anterogradedelivered

neurotrophinsacting

via Trks

Afferent

Ca2+ Survivalsignaling

VSCC

ASTROCYTE

NGF actingvia p75

Neurotrophins

TrkB

Afferent

Target

Afferents

(-)

(-)

LyncAMP

Depolarization byexcitatory inputs

AMPA

BDNF

NGF

CNTFGDNF bFGF

BMPs

TrkB

+

Cytotoxicmolecules

GDNF

NGS

(-)NMDA mGluR

II and III

Glutamate

Glutamate

Glutamate

NGFBDNFIGFLIFNT3

S100

Ca2+

Deathsignal

+

CNTF

Schwann cell-derived factors

acting via receptors on

neurons (axon)

Malaltia d’Alzheimer

Estratègies terapèutiques

II. Modificació de la producció, agregació o toxic itat de la amiloide

� Inhibició de l’agregació d’A ββββ (Tramiprosat*, Clioquinol**)

� Modulació de la producció d’A β: β: β: β: -Activació de la αααα-secretassa (agonistes M1)-Inhibició de la ββββ-secretassa-Inhibició de la γγγγ-secretassa

� Statins

� Vacunes

*Assaig clínic fase II i III**Assaig clínic fase II

Golde TE (2003) J. Clin. Invest. 111:11-18

Malaltia d’Alzheimer

Malaltia d’Alzheimer

Estratègies terapèutiques

III. Inhibició de la excitotocicitat mediada per gl utamat

� Antagonisme moderat del receptor NMDA (memantina*)

*Aprovat el seu us

Malaltia de Parkinson

Afecta al 1% de la població de més de 65 anys i la simoptomatologia característica es:

-Bradicinèsia-Tremolor de repòs-Rigidesa-Inestabilitat postural

�L’examen patològic de cervells amb Parkinson mostra una pèrdua selectiva de neurones dopaminèrgiques se la substancia nigra pars compacta.

�A nivell microscòpic es troba a més inclusions eosinòfiles -cossos de Lewy-, neurites distròfiques i altres alteracions neuropatològiques en diverses àrees del cervell

�El tractament amb L-DOPA desde el descubriment Carlsson, 1958 i la proposta Birkmayer, W. & Hornykiewicz (1961) aporta una millora substancial als pacients

Malaltia de Parkinson

Tyrosine hydroxylase

Malaltia de Parkinson

Lotharius J., Brundin P. (2002) Nature Rev. Neurosci 3:932-942

Malaltia de Parkinson

Malaltia de Parkinson

Moore D.J. (2005) Ann. Rew. Neurosci 28:57-87

Malaltia de Parkinson

Lotharius J., Brundin P. (2002) Nature Rev. Neurosci 3:932-942

Malaltia de Parkinson

Moore D.J. (2005) Ann. Rew. Neurosci 28:57-87

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS)

“Progressive disorder characterized by the selective degeneration of

motor neurons in cerebral cortex, brainstem and spinal cord”

Symptomatology: Muscular weakness, atrophy ans spasticity with

exageration of tendon reflexes in variing combinations. Progression

is unhalting and relative rapid leading to extensive paralysis with

death from respiratoryweakness or aspiration pneumonia, generally

from 2-5 years. Intelligence andawareness are typically presereved

untin end-stage of the disease.

NC Danbolt NC (2001) Progr. Neurobiol 65:1-105

The who, where and when of neuronal death in age-related

neurodegenerativedisorders .

Mattson MP, and Magnus T (2006) Nature Rev. Neurosci. 7:279-294

Esquerda JE (2006) Mente y Cerebro 17:

Stephen Hawking

Lou Gehrig

Bunina body in human ALS

Hemtoxilin and eosin staining

Cystatin C immunostaining

Bunina body in human ALS

Pathogenetic mechanisms in ALS

� Genetic factors: 90% sporadic, 10% familiar (FALS) - SOD, Alsin, VEGF, neurofilaments -

� Oxidative stress (Cu/Zn SOD mutations, free radical injury, mitochondrial injury , nitration of protein s…)

� Autoimmunity (calcium channel -N, L- antibodies)

� Cytoskeletal (neurofilament disorganization)

� Excitotoxicity (impaired clearing of glutamate)

Esquerda JE (2006) Mente y Cerebro 17:83-92

Esquerda JE (2006) Mente y Cerebro 17:83-92

P90 G93ANeuN

P120 G93ANeuN

WT G93A

PTX+NF+DAPI

Selective MN degeneration and lossin transgenic SOD1 G93 rat

Glial (astroglial and microglial) activation in SOD 1G93A mutant rat spinal cord atthe end-stage of the MN disease

Glial (astroglial and microglial) activation in SOD 1G93A mutant rat spinal cord atthe end-stage of the MN disease

DAPI(DNA)

DAPI(DNA)

GS1(microglia)

GFAPAstroglia

WT G93A G93A

Microglial activation and neuronophagia in SOD1 G93A mutant rat spinal cord atthe end-stage of the MN disease

Microglial activation and neuronophagia in SOD1 G93A mutant rat spinal cord atthe end-stage of the MN disease

Surface interactions between degenerating MNs and glial cells duringmutant SOD1 G93A-induced degeneration and neuronophagia

Color code:Synaptic terminalsMicrogliaAstroglia

Esquerda JE (2006) Mente y Cerebro 17:83-92

Universitat de Lleida/IRBLLEIDAFacultat de Medicina

Dept. de Medicina Experimental Unitat de Neurobiologia Cel.lular

J. E. Esquerda

Jordi Calderó

Anna CasanovasDolors Ciutat Olga Tarabal

Lidia Piedrafita

Marta Hereu

Montse Ortega

Elisabet Dachs

Javier Sábado

Xavier Gallart