Neurobiologia

Le attività di ricerca sono focalizzate sullo studio della morfologia, fisiologia, genetica, immunologia, patologia e farmacologia del sistema nervoso a livello molecolare, cellulare e di sistema e sull’individuazione di targets biologici per lo sviluppo di strategie innovative per contrastare le patologie neurodegenerative.

Ambiti e principali linee di ricerca:

NEUROFARMACOLOGIA - Responsabili: Prof.ssa Daniela Curti, Prof.ssa Maurizia Dossena, Prof.ssa Ornella Pastoris, Prof. Roberto F. Villa

Collaboratori: Sara Arnica (borsista), A. Buzzella (borsista), Barbara Balestra (tecnico laureato), Daniela Buonocore (assegnista), Federica Ferrari (frequentatore volontario), Silvia Molino (dottorando), Manuela Verri (tecnico laureato).

(i) Studio del ruolo del recettore sigma-1 (S1R), sue isoforme e stato di oligomerizzazione nei meccanismi di morte motoneuronale
I recettori S1R sono ubiquitari, ma particolarmente presenti nei motoneuroni  dove sono localizzati sulle membrane del reticolo endoplasmatico (RE) associate ai mitocondri  ed in cisterne del RE presenti alle densità post-snaptiche delle terminazioni C. Il ruolo fisiologico e di  potenziale bersaglio terapeutico dell’enigmatico recettore S1R verrà studiato in modelli cellulari ed animali di patologie motoneuronali, come la sclerosi laterale amiotrofica (SLA), in linfociti e campioni umani autoptici di pazienti affetti dalla patologia, al fine di sviluppare tools molecolari alla base di nuove strategie per contrastare la SLA.
Referente: D. Curti
Collaborazioni: M. Peviani (Harvard Medical School, Boston); C. Bendotti (IRCCS M. Negri, Milano); S. Collina (Dip. Scienze del Farmaco, UNIPV);  M. Zorzetto, (IRCCS Policlinico San Matteo, Pavia); M. Ceroni IRCCS C. Mondino e UNIPV.

(ii) Valutazione di marker metabolici e dello stato di insulino-resistenza nelle demenze
Parametri ematici e del liquido cefalorachidiano indicativi di alterazione del metabolismo energetico cerebrale, muscolare ed epatico (profilo aminoacidico, delle acilcarnitine e metabolomico), e dello stato di insulino-resistenza vengono valutati in pazienti affetti da demenza. I dati forniranno una base per interventi terapeutici e per la riabilitazione nutrizionale e/o neurologica.
Referente: M. Dossena
Collaborazioni: A. Costa (IRCCS “C. Mondino”, Pavia); A. Navarra (IRCCS, S. Maugeri Pavia, Servizio di Medicina di Laboratorio); M. Daglia (Dip. Scienze del Farmaco, UNIPV); L. Mannina (Dip. Chimica e Tecnologie del Farmaco, Università Sapienza di Roma); B. Solerte (Dip. Medicina Interna e Terapia Medica - IDR S. Margherita, Pavia).

(iii) Correlazione tra stress ossidativo e citotossicità nella progressione dell’Anoressia Nervosa (AN): nuovi approcci biochimici e morfologici
Determinazione della citotossicità indotta da lipoproteine alterate e da ormoni presenti in quantità/attività modificata nel sangue di pazienti con disturbi alimentari su linee cellulari neurali. Valutazione  dei meccanismi molecolari di danno a carico del SNC.
Referenti: M. Dossena, MG Bottone
Collaborazionii: U. Balottin (IRCCS  C. Mondino, Pavia)

(iv) Neurobiopatologia e neurofarmacologia gastrointestinale
Caratterizzazione delle vie neuronali e dei recettori coinvolti nell’insorgenza e regolazione della propulsione intestinale in condizioni sia fisiologiche che nella malattia di Parkinson. Viene studiato sia l’aspetto funzionale, valutando il controllo neuronale e la sua modulazione da parte di neurotrasmettitori della motilità intestinale, sia l’aspetto molecolare mediante la valutazione dell’attivazione gliale e della composizione del  microbiota intestinale.
Referente: O. Pastoris
Collaborazioni: F. Blandini (Laboratorio di Neurochimica Funzionale, IRCCS Istituto Neurologico "C. Mondino", Pavia ).

(v) Proteomica Funzionale e Metabolomica dei processi enzimatici bioenergetici
L'argomento fondamentale di ricerca riguarda la valutazione delle interazioni molecolari dei farmaci con i recettori pre- e post- sinaptici e della loro capacità di interagire, in vivo, sulla Bioenergetica Cerebrale, per lo studio della Fisiopatologia, Farmacologia e Terapia delle principali Patologie del Sistema Nervoso Centrale di interesse neurologico e psichiatrico, secondo la classificazione dell’Organizzazione Mondiale della Sanità.
Referente R.F.Villa.
Le collaborazioni nazionali ed internazionali ed i risultati della ricerca scientifica svolta, sono indicati rispettivamente nel Curriculum Vitae ed Elenco delle Pubblicazioni del Prof. Villa, cui si rimanda.

NEUROFISIOLOGIA CELLULARE ED INTEGRATA - Responsabili: Prof. Mauro Toselli, Prof. Gerardo Biella, Prof.ssa Paola Rossi, Prof. Franco Tanzi, Prof.ssa Laura Botta, Prof. Francesco Moccia

Collaboratori:Elisabetta Cesana (borsista postdoc), Claudia Maniezzi (dottoranda), Luigi Salvioli (dottorando),  Francesca Talpo (borsista postdoc)

(i) Azioni dell'ossitocina nel sistema nervoso centrale
L’ossitocina, ormone sintetizzato a livello ipotalamico, agisce sia a livello periferico che centrale regolando diverse funzioni comportamentali. Recentemente è stata ipotizzata una correlazione tra il sistema ossitoninergico e l’autismo. I recettori per l’ossitocina sono ampiamente distribuiti nell’ippocampo, e diversi studi elettrofisiologici sono stati eseguiti su roditori per identificare i circuiti ippocampali ossitocinergici e per comprendere i meccanismi modulatori esercitati dal neuropeptide in quest’area. Ne è emerso che l’ossitocina facilita la trasmissione inibitoria nell’area CA1 dell’ippocampo, aumentando la frequenza di scarica di una classe di interneuroni GABAergici connessi sinapticamente alle cellule piramidali. Tuttavia, il meccanismo attraverso cui l’ossitocina aumenta la frequenza di scarica dei neuroni inibitori non è stato ancora identificato, né è noto come tale aumento si ripercuota sull’eccitabilità dei neuroni piramidali. Inoltre non sono noti i meccanismi attraverso cui l’ossitocina è in grado di migliorare la sintomatologia della malattia autistica. Il nostro studio è focalizzato sulla caratterizzazione della neuromodulazione operata dall’ossitocina sull’ippocampo di topo, cercando di colmare le lacune nelle conoscenze attuali.
Referenti: M. Toselli, G. Biella
Collaborazioni: B. Chini, Istituto di Neuroscienze - CNR, Milano; M. Parenti, Dip. Medicina Sperimentale Università di Milano Bicocca, Milano.

(ii) Analisi dell'attività sinaptica in modelli animali di Malattia di Huntington (HD)
HD è una patologia neurodegenerativa causata da una mutazione autosomica dominante nel gene IT-15 che codifica per la proteina huntingtina (Htt). Il ruolo di Htt è tuttora sconosciuto. La proteina è ubiquitaria, essenziale per l’embriogenesi, lo sviluppo e la sopravvivenza neuronale, ed è coinvolta anche nell’attività sinaptica. L’espansione della tripletta CAG nell’esone 1 del gene IT-15 (> 36 ripetizioni) genera una forma mutata dell’Htt (mHtt) che è tossica per i neuroni e causa ampia perdita di neuroni cerebrali, specialmente a livello corticale e striatale. mHtt determina, oltre alla morte neuronale nell’ultimo stadio della malattia, anche alterazioni progressive nella morfologia, eccitabilità, e proprietà sinaptiche dei neuroni piramidali corticali (CPNs) e dei neuroni spinosi medi (MSNs). Pertanto, i primi sintomi comportamentali e cognitivi dell’HD precedono la morte neuronale piuttosto che esserne una conseguenza. Il disaccoppiamento della connettività e della plasticità a livello delle sinapsi CPN/MSN  e l’eccitotossicità, principalmente mediata da alterazioni dei recettori NMDA, sembrano cruciali nella patogenesi e nella progressione dell’HD. Utilizzando approcci multidisciplinari (comportamentali, elettrofisiologici etc.), intendiamo analizzare il progressivo disaccoppiamento delle sinapsi corticostriatali eccitatorie in modelli murini knock-in di HD, sia nello stadio pre-sintomatico sia negli stadi  sintomatici della malattia.
Referenti: M. Toselli, G. Biella

(iii) Valutazione funzionale di neuroni spinosi medi dello striato differenziati da cellule staminali embrionali e riprogrammate da fibroblasti di pazienti con la malattia di Huntington
Questo progetto di ricerca si incentra sulla caratterizzazione funzionale di una classe specifica di neuroni striatali, i neuroni spinosi medi (MSN). Tramite uno specifico protocollo di differenziamento da  cellule staminali embrionali umane (hES, linea H9),  si otterrano colture 2D o 3D di MSN.  In alcune linee esposte anche ad una sovra-espressione indotta di fattori quali GSX2 e EBF1 per migliorarne la resa e la qualità. Inoltre, nota la devastante degenerazione dei MSN nella malattia di Huntington, il nostro interesse si è rivolto anche alla caratterizzazione elettrofisiologica di neuroni striatali differenziati a partire da staminali pluripotenti indotte (hiPS), derivate da fibroblasti di soggetti sani e malati. In questo modo, è possibile modellizzare in vitro la malattia di Huntington e fornire un contributo rilevante alla comprensione dei molteplici e ancora sconosciuti meccanismi molecolari alla base della neurodegenerazione. Inoltre le indagini fisiologiche contribuiranno a  consolidare il protocollo di differenziamento cellulare, al fine di generare in vitro MSN autentici ed utilizzabili nella terapia cellulare, che ad oggi sembra essere un’ottima candidata per la cura delle malattie neurodegenerative.
Referenti: M. Toselli, G. Biella
Collaborazioni: E. Cattaneo, Dip. Bioscienze, UNIMI, Milano; M. Onorati , Dept. Neurobiology, Yale School of Medicine, New Haven, Connecticut, USA.

(iv) Meccanismi e neuromodulazione dell’eccitabilità di membrana nei neuroni delle cortecce paraippocampali e dei neuroni della corteccia peririnale
Le cortecce paraippocampali (PHCs) stabiliscono interazioni sinaptiche bidirezionali con l’ippocampo che sono di fondamentale importanza per le funzioni di memoria e di orientamento spaziale proprie del sistema di memoria del lobo temporale mediale. Questo progetto è focalizzato sullo studio dei meccanismi che governano le proprietà eccitabili intrinseche dei neuroni delle PHCs, delle loro implicazioni funzionali per quanto riguarda le comunicazioni fra la regione paraippocampale e l’ippocampo, e dei sistemi neuromodulatori che li controllano. In particolare vengono studiati: 1) i meccanismi intrinseci di membrana che determinano le specifiche proprietà di scarica dei neuroni della corteccia entorinale mediale (mEC); 2) la risonanza di membrana, i sottostanti meccanismi, e le relative implicazioni funzionali, nei neuroni della mEC e della corteccia peririnale (PRC); 3) i meccanismi di regolazione tramite i quali la PRC è in grado di operare la sua caratteristica funzione di selezione dei segnali in ingresso diretti verso l’ippocampo attraverso la mEC, per intervento di un complesso network intrinseco, che coinvolge sia le cellule piramidali di proiezione, sia numerose classi di interneuroni GABAergici che generano un’inibizione locale sui neuroni piramidali; 4) se e in che modo numerosi sistemi neuromodulatori fisiologici,  come quelli che fanno capo all’acetilcolina, alla dopamina, alla noradrenalina, etc.) influenzino le sopra menzionate proprietà dei singoli neuroni e dei circuiti locali.
Referenti:  M. Toselli, G. Biella

(v) Ruolo dei segnali di Ca2+ endoteliali nell’accoppiamento neurovascolare
L’accoppiamento neurovascolare è il meccanismo mediante il quale il flusso sanguigno cerebrale aumenta o diminuisce in risposta a corrispondenti variazioni dell’attività neurale. L’ipotesi più accreditata attribuisce esclusivamente ai neuroni e agli astrociti la capacità di rilasciare mediatori vasoattivi in risposta all’attività sinaptica. Questo progetto di ricerca sta esaminando per la prima volta la capacità dell’endotelio cerebrale di rilevare direttamente il rilascio sinaptico di neurotrasmettitori. La nostra attenzione si sta focalizzando sulla sensibilità delle cellule bEND.5, un modello ampiamente validato per lo studio dell’endotelio cerebrale, ai neurotrasmettitori glutammato e acetilcolina e al neuropeptide catestatina. Nello specifico, il presente progetto si propone di: 1) studiare i meccanismi responsabili della genesi delle oscillazioni intracellulari di Ca2+ che insorgono in seguito a stimolazione con i tre agonisti sopra citati; 2) verificare se e come tali oscillazioni di Ca2+ inducano la sintesi di monossido d’azoto (NO), il principale agente vasodilatatore del cervello; e 3) indagare se l’NO rilasciato dalle cellule endoteliali cerebrali possa agire non solo sul tono vasale, ma anche sull’attività sinaptica.
Referente: F. Moccia
Collaborazioni: T. Angelone, Università della Calabria, Cosenza; E. D’Angelo, Dip. Scienze del Cervello e del Sistema Nervoso, UNIPV; S. Dragoni, University College London, London; G. Guerra, Università del Molise, Campobasso; D. Lim, Università del Piemonte Orientale, Novara.

(vi) Studio degli effetti dell’integrazione orale con il fungo medicinal Hericium erinaceus (Lion’s mane) sulla neurogenesi e sulle funzioni cognitive in topi wild-type
Hericium (Bull.) Pers. è un fungo medicinale in grado di modulare il sistema immunitario e di  migliorare le funzioni cognitive nell’uomo. Sono stati condotti negli ultimo 10 anni numerosi studi in vitro e in vivo per studiarne gli effetti dopo somministrazione orale. Sull’uomo, in particolare, i dati presenti nella letteratura scientifica descrivonono un effetto neuroprotettivo sull’ictus ed effetti di parziale recupero cognitivo in patologie neurodegenerative, quali la demenza e l'Alzheimer. In un modello murino di topo indotto farmacologicamente allo sviluppo di Alzheimer, l'integrazione alimentare con H. erinaceus previene la compromissione della memoria spaziale a breve termine e della memoria di riconoscimento visiva. Non esistono dati di letteratura relativi ad animali wild-type.
Questa linea di ricerca studia gli effetti della somministrazione orale del micoterapico in topi wild-type. Si affrontano, in particolare, due  aspetti: la capacità di migliorare alcune performance cognitive legate alla memoria e gli effetti sulla neurogenesi a livello ippocampale.
Vengono utilizzate metodiche di patch-clamp in fettine ippocampali e studi di comportamento animale in vivo.
Referente: P. Rossi
Collaborazioni: F. Brandalise, Brain Research Institute, University of Zurich; A. Gregori,  MycoMedica d.o.o., Kranjska Gora, Slovenia; G. Orrù, Dip. Scienze Chirurgiche, Università di Cagliari; M.L. Guglielminetti, M.Rodolfi ed E. Savino, Dip. della Terra e dell’Ambiente, UNIPV.

(vii) Studio delle modificazioni plastiche fenotipiche e della rete neurale olfattiva in uova ed embrioni di girini sottoposti a segnali di predazione
La plasticità fenotipica è la capacità degli organismi di modificare il proprio fenotipo in relazione a cambiamenti ambientali. In particolare, viene studiata l’interazione predatore-preda sottoponendo le uova e le larve di girini a diversi segnali chimici prodotti da differenti predatori (specifici, aspecifici, autoctono e non autoctoni) e studiando le conseguenti variazioni fenotipiche e le modifiche di risposta delle cellule mitrali del sistema olfattivo. Vengono studiati i meccanismi fisiologici alla base di tali variazioni nel tentativo di comprendere come le informazioni contenute nei segnali prodotti dai predatori (cairomoni) vengano codificati ai vari livelli del sistema sensoriale delle prede.
Lo studio prevede l’utilizzo della metodica di patch-clamp sul sistema olfattivo (cellule mitrali) dei girini in vivo e la registrazione delle modifiche di comportamento dei girini.
Referente: P. Rossi
Collaborazioni: P. Galeotti e A. Gazzola, Dip. della Terra e dell’Ambiente, UNIPV; F. Brandalise, Brain Research Institute, University of Zurich; D. Rubolini, Dip. Bioscienze, Università di Milano.

(viii) Espressione delle correnti di potassio inward-rectifier nel verme e negli emisferi cerebellari di topo
Le correnti di potassio inward rectifier accoppiate alle G-proteine (GIRK) svolgono un ruolo cruciale durante la migrazione e la maturazione delle cellule dei granuli cerebellari nel verme cerebellare. A dimostrazione di ciò il modello di topo weaver, che presenta una mutazione puntiforme spontanea di un canale GIRK2, presenta profonde alterazioni motorie con un quadro di grave atassia cerebellare. Negli emisferi cerebellari, tuttavia, l’ontogenesi delle correnti durante la migrazione e il differenziamento dei granuli cerebellari, presenta un quadro completamente differente. Questa linea di ricerca analizza le differenze regionali nello sviluppo ontogenetico delle correnti voltaggio-dipendenti.
Lo studio prevede l’utilizzo della metodica di patch-clamp in fettine di cervelletto di topo e misure di immunoistochimica con anticorpi specifici.
Referente: P. Rossi
Collaborazioni: U. Gerber e F. Brandalise, Brain Research Institute, University of Zurich; R. Lujan, Instituto de Investigaciónen Discapacidades Neurológicas (IDINE), Dept. Ciencias Médicas, Facultad de Medicina, Universidad Castilla-La Mancha, Albacete, Spain.

NEUROMORFOLOGIA E NEUROGENETICA - Responsabili: Prof.ssa Maria Grazia Bottone, Prof. Sergio Comincini, Prof.ssa Rosanna Nano

Collaboratori: Violetta Insolia (dottoranda), Irene Masiello (dottoranda).

(i) Studio dello sviluppo del sistema nervoso centrale di topi con deficienza di prolidasi: alterazioni neuroarchitetturali ed istochimiche
Il gene prolidasi (PEPD) codifica per l’unica imminodipeptidase Mn(II) dipendente, responsabile dell’idrolisi di dipeptidi contenenti prolina o idrossiprolina al C-terminale. Mutazioni di PEPD causano la deficienza di prolidasi (PD), una malattia rara, autosomica recessive caratterizzata da ridotta o assente attività prolidasica ed un ampio spettro di fenotipi: manifestazioni dermatologiche, suscettibilità ad infezioni respiratorie ricorrenti e diversi gradi di ritardo mentale. La correlazione tra PD ed alterazioni neuroarchitetturali ed istochimiche a carico del cervelletto, ippocampo e corteccia cerebrale, viene studiata in un modello murino di PD: dark-like mutant (dal). In particolare nei tre diversi genotipi murini (wt, dal/+ e dal/dal) saranno valutati  disorganizzazione della membrana basale delle meningi, alterazioni nei processi di migrazione e differenziamento neuronale, sbilanciamento del rapporto tra proliferazione e morte cellulare, compromissione dei principali sistemi di neurotrasmissione, neurodegenerazione ed angiogenesi.  Lo studio viene condotto con tecniche morfologiche, istochimiche e microscopiche e con Western Blotting per un’analisi quantitativa.
Referente: M.G. Bottone
Collaborazioni: M. Biggioggera (Dip. Biologia e Biotecnologie L. Spallanzani UNIPV;  A. Forlino (Dip. Medicina Molecolare, UNIPV).

(ii) Studio dei tumori astrocitari
Lo studio è dedicato all’identificazione e caratterizzazione funzionale di sequenze regolatrici microRNA all’interno del processo autofagico nei tumori di derivazione astrocitaria nell’uomo: 1) identificazione di biomarker di ausilio alla diagnosi istopatologica e importanti nella stratificazione dei pazienti (molecular subtyping) e, in generale, per approcci di medicina personalizzata; 2) sviluppo di protocolli preclinici per indurre processi di morte cellulare programmata mediante attivazione del processo autofagico; 3) medicina traslazionale con sviluppo di protocolli sperimentali preclinici terapeutici adiuvanti al trattamento con chemoterapici o con radioterapia; 4) sviluppo di strategie terapeutiche antitumorali precliniche basate sull’impiego di esosomi e sulla modificazione del loro contenuto molecolare.
Referente: S. Comincini
Collaborazioni: T. Florio (Dip. Medicina Interna e Specialità Mediche, Università di Genova; G. Fossati (ITALFARMACO spa, Milano); M. Biggiogera, F. Moccia, G.F. Guidetti, Dip. Biologia e Biotecnologie, UNIPV).

(iii) Studi di neurogenetica comportamentale
La ricerca è indirizzata all’identificazione di nuovi determinanti genetici legati al disturbo neurologico della prosopagnosia, un deficit percettivo acquisito o congenito del sistema nervoso centrale. Gli  individui affetti non sono in grado di riconoscere i volti delle persone, anche dei familiari stessi e sono incapaci di eseguire con successo giudizi tipo simile/dissimile, quando vengono loro presentate immagini di volti diversi Referente: S. Comincini
Collaborazioni: Z. Cattaneo (Dip. Psicologia, Università Bicocca di Milano).

(iv) Studio sperimentale di nuovi traccianti radioisotopici nei tumori gliali maligni e studio delle cellule del sistema nervoso centrale in condizioni normali e patologiche
La diagnostica differenziale tra recidiva tumorale (gliomi e metastasi cerebrali) e fenomeni di radionecrosi (RN), riveste un ruolo importante sia da un punto di vista prognostico che terapeutico. Nonostante i considerevoli progressi tecnologici delle attuali metodiche di imaging (PET-TC, RM,..) non è ancora possibile una diagnosi accurata per distinguere aree in attiva proliferazione neoplastica da aree di tipo necrotico o di neuro-infiammazione. La nostra ricerca attuale riguarda lo studio dell’uptake in vitro di nuovi radiofarmaci (18F-FCH, 18F- FET) specifici per distinguere gliomi a basso ed alto grado.  Come modello sperimentale vengono utilizzate varie linee umane di glioblastoma (T98G, U251, U87) nel tentativo di mimare la situazione in vivo.
Referente: R. Nano
Collaborazioni: L. Lodola, M. Persico, F. Buroni (S.C. Medicina Nucleare, IRCCS Policlinico San Matteo, Pavia); F. Corbella,  F. Pasi (S.C. Radioterapia Oncologica, IRCCS Policlinico San Matteo, Pavia); A. Facoetti, C. Aprile (Fondazione CNAO, Pavia); Giombelli E. (Divisione Neurochirurgia, Ospedale di Parma); A. Messina (Div. Neurochirurgia, Ospedale di Sondalo); E. Benericetti (Div. Neurochirurgia, Maria Cecilia Hospital GVM, Cotignola, BO).

 

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