Lucia Ciranna

Linee di ricerca

Dal 2009 a oggi : Alterazioni della plasticità sinaptica, difetti di apprendimento e comportamento autistico in un modello animale della Sindrome del Cromosoma X Fragile (FXS): nuove prospettive terapeutiche basate sull’attivazione di recettori per la serotonina.

Utilizzando la tecnica elettrofisiologica del patch clamp, il mio gruppo di ricerca ha dimostrato che l’attivazione di recettori 5-HT7 per la serotonina modifica l’eccitabilità di neuroni ippocampali e induce una reversione della depressione a lungo termine indotta da recettori metabotropi per il glutammato (mGluR-LTD) (Costa et al., 2012), una forma di plasticità sinaptica che svolge un ruolo cruciale nell’apprendimento e nella flessibilità comportamentale e che risulta patologicamente aumentata in un modello murino della sindrome FXS, patologia genetica caratterizzata da disabilità intellettiva, autismo ed epilessia. Utilizzando questo modello, abbiamo dimostrato che l’attivazione di recettori 5-HT7 inibisce la mGluR-LTD (ripristinando la plasticità sinaptica a livelli simili a quelli di topi sani) e corregge alterazioni nelle spine dendritiche, difetti di apprendimento e comportamento autistico, aprendo nuove prospettive terapeutiche per la sindrome FXS (Ciranna and Catania, 2014; Costa et al., 2015, 2018). Le nuove prospettive aperte dal nostro lavoro sono state messe in rilievo da Osterweil, Kind e Bear (Biological Psychiatry 2012; 72: 895-897). Abbiamo identificato il meccanismo d’azione e alcuni importanti messaggeri intracellulari alla base degli effetti indotti dai recettori 5-HT7 (Costa et al. 2018; 2021). Abbiamo inoltre che scoperto che il PACAP (Pituitary Adenylate Cyclase Activating Polypeptide) un peptide cerebrale noto per le sue proprietà neurotrofiche e neuroprotettive, è anch’esso capace di correggere la plasticità sinaptica alterata nell’ippocampo del modello FXS murino (Costa et al., 2018; Ciranna and Costa 2019; Ciranna et al., 2021) e potrebbe quindi diventare uno strumento terapeutico per la sindrome FXS, per la quale non esiste ancora una terapia specifica.

In collaborazione con gruppi di ricerca internazionali, abbiamo contribuito a chiarire numerosi meccanismi alterati nel cervello di modelli animali della sindrome FXS (D’Antoni et al., 2014; Aloisi et al., 2017; Maurin et al., 2019) e di altre patologie con deficit cognitivi (Leggio et al., 2021).

Dal 2003 a oggi: Modulazione della trasmissione sinaptica mediata da glutammato nell’ippocampo. Abbiamo studiato l’effetto fisiologico dei neuropeptidi endogeni PACAP e VIP sull’attività neuronale in vivo e sulle correnti sinaptiche mediate da attivazione di recettori AMPA nella sinapsi fra le fibre collaterali di Schaffer e i neuroni piramidali CA1 in fettine di ippocampo di ratto.  Abbiamo osservato che il PACAP e il VIP modulano la frequenza di scarica neuronale (14) e la trasmissione sinaptica (15,24) nell’ippocampo; abbiamo identificato i recettori responsabili degli effetti da noi osservati (PAC1 e VPAC2) e il meccanismo d’azione intracellulare (cAMP/PKA). I nostri risultati dimostrano che questi due neuropeptidi, precedentemente considerati ormoni e/o fattori neuroprotettivi, sono anche capaci di modulare la trasmissione sinaptica e probabilmente influenzano le funzioni dell’ippocampo, struttura cerebrale principalmente coinvolta nell’apprendimento e nella memoria.

In un altro studio in patch clamp, abbiamo caratterizzato gli effetti della 5-HT sulla trasmissione sinaptica nell’ippocampo, dimostrando che l’attivazione di recettori 5-HT1A inibisce le correnti sinaptiche mediate da recettori AMPA, agendo a livello sia pre- che post-sinaptico. Al contrario, l’attivazione di recettori 5-HT7 aumenta l’ampiezza delle correnti sinaptiche agendo a livello esclusivamente post-sinaptico (26). Questi effetti da noi descritti potrebbero costituire i meccanismi fisiologici alla base degli effetti opposti indotti dall’attivazione di recettori 5-HT1A e 5-HT7 sull’apprendimento, precedentemente osservati in studi comportamentali in vivo.

Dal 2007 a oggi: Studio elettrofisiologico degli effetti di nuovi ligandi per i recettori ionotropi del glutammato di tipo AMPA o NMDA. Utilizzando la tecnica del patch clamp su fettine di ippocampo di ratto, abbiamo caratterizzato gli effetti elettrofisiologici di molecole di nuova sintesi sulle correnti indotte da attivazione di recettori AMPA o NMDA in neuroni piramidali della regione CA1. Questi studi hanno permesso di identificare diverse nuove sostanze ad azione antagonista sui recettori AMPA (20, 23) o NMDA (21,22,25,28) e di correlare i loro effetti biologici agli studi di modellizzazione di struttura e ai saggi di affinità di legame ai recettori.

1995-2006 : Effetti della 5-HT e della NA in strutture del sistema nervoso centrale deputate al controllo del movimento. Abbiamo effettuato registrazioni extracellulari in vivo per studiare gli effetti della 5-HT e della NA sull’attività elettrica neuronale e le loro interazioni con il glutammato e con il GABA nel nucleo rosso del mesencefalo (7,8,10,11,12,16). Abbiamo inoltre caratterizzato gli effetti delle due monoammine nei nuclei cerebellari (13) e nei nuclei motori talamici (18) e gli effetti della 5-HT nella sostanza reticolare bulbare (17). Nella maggior parte di queste strutture, abbiamo osservato che l’attivazione di recettori alfa-2 adrenergici riduce la frequenza di scarica neuronale e potenzia gli effetti inibitori del GABA, mentre l’attivazione di recettori beta-adrenergici induce effetti eccitatori e modula in maniera diversa gli effetti mediati da recettori  GABAA et GABAB. Nelle stesse strutture, la 5-HT riduce o aumenta l’attività neuronale attivando rispettivamente recettori 5-HT1A o 5-HT2. Inoltre, la 5-HT è capace di ridurre la trasmissione glutammatergica e di potenziare gli effetti inibitori del GABA (19). Dal punto di vista funzionale, abbiamo osservato che l’applicazione di 5-HT nei nuclei vestibolari laterale e spinale aumenta il tono dei muscoli estensori e riduce il tono dei muscoli flessori degli arti superiori (9). L’insieme di questi risultati dimostra che la 5-HT e la NA svolgono un ruolo modulatorio molto articolato su numerosi centri nervosi deputati al controllo motorio.

1990-1994 : Effetti della 5-HT e della NA sui canali voltaggio-dipendenti per il Ca2+ in cellule melanotrope del lobo intermedio dell’ipofisi. Utilizzando la tecnica del patch clamp su colture di cellule melanotrope di maiale e di ratto, abbiamo dimostrato che queste cellule esprimono recettori 5-HT1A e 5-HT1C funzionali, tramite i quali la 5-HT inibisce le correnti di calcio (Ca2+) voltaggio-dipendenti. Analizzando le proprietà cinetiche e farmacologiche delle correnti di Ca2+, abbiamo osservato che la 5-HT inibisce selettivamente una corrente di tipo L e una corrente di tipo Q e abbiamo identificato il meccanismo d’azione (attivazione di una proteina G sensibile alla tossina della pertosse e modulazione diretta dei canali per il Ca2+) (4,5,6). I nostri dati suggeriscono che la 5-HT, modulando l’ingresso dello ione Ca2+ nelle cellule melanotrope, partecipi al controllo fisiologico della secrezione ormonale ipofisaria.

1990-1992: Funzione fisiologica della serotonina (5-HT) e della noradrenalina (NA) nel controllo dell’attività dei nuclei vestibolari: studio elettrofisiologico in vivo e applicazione microiontoforetica di agenti farmacologici. I nostri dati mostrano che l’attività elettrica dei neuroni vestibolari è rispettivamente stimolata e inibita dall’attivazione di recettori 5-HT2 e 5-HT1A (2), mentre l’applicazione di NA induce esclusivamente effetti inibitori tramite recettori alfa-2 adrenergici (3). Abbiamo inoltre dimostrato l’esistenza di una interazione fra il glutammato e la 5-HT nella modulazione dell’eccitabilità dei neuroni vestibolari (1). Gli effetti da noi osservati suggeriscono che le monoammine 5-HT e NA potrebbero partecipare al controllo dei movimenti oculari e dei rifllessi posturali, le principali funzioni fisiologiche controllate dai nuclei vestibolari.