I Jornada Científica Fundación Iberoamericana Down 21
Acciones individualizadas en el Síndrome de Down
Santander, 15 de noviembre de 2007
Síndrome de Down: Perspectivas
terapéuticas desde los avances biológicos
Prof. Jesús Flórez
Facultad de Medicina, Universidad de Cantabria
Asesor, Fundación Síndrome de Down de Cantabria
Director, Canal Down21 (www.down21.org)
España
Estrategias terapéuticas
Los intentos de mejorar la capacidad cognitiva de las
personas con síndrome de Down se han basado en tres
pilares:
• Seguir las pautas marcadas en la investigación de la
enfermedad de Alzheimer
• Terapias inespecíficas: complementos nutricionales,
fármacos nootropos
• Técnicas de intervención temprana
Las perspectivas de éxito han aumentado sustancialmente
tras la introducción de los modelos animales
El valor del modelo animal
• Permite elaborar una hipótesis, ponerla a
prueba y predecir la validez terapéutica en
la especie humana.
• El ratón es un animal muy útil porque
conocemos muy bien:
– Su estructura cerebral
– Sus vías fisiológicas y metabólicas
– Su mapa genético: sus cromosomas tienen
largos segmentos de sintenía génica en
relación con los cromosomas humanos
Modelos animales de
discapacidades mentales humanas
Estamos utilizando un número sustancial de
modelos murinos de discapacidades mentales.
Véanse ejemplos específicos en:
The Jackson Laboratory web site
http://www.jacksonlaboratory.org/resources/mouse
_resources.html
¿Es posible reproducir en un animal el
síndrome de Down?
• Nuestros cromosomas son distintos de los de los
demás animales.
• Pero tenemos infinidad de genes idénticos.
• Muchos de ellos son responsables de funciones
bioquímicas parecidas en las distintas especies.
• Están situados y repartidos de manera diferente.
• El ratón es un animal ideal en muchos aspectos:
rapidez de reproducción, conocimiento del
genoma.
www.down21.org/salud/genetica/modelos_animales
.htm
Figura 2. Mapas genéticos comparados en los que se
muestra un alto grado de conservación entre el
cromosoma 21 humano (HSA21) y los cromosomas
16, 17 y 10 de ratón (MMU). (Reeves et al., 2001)
El ratón transgénico
y el síndrome de Down
• Objetivo: conocer la consecuencia de
que se sobreexprese un único gen o
unos pocos genes.
• Limitaciones de la técnica: 3 copias de
un solo gen pueden no provocar los
mismos efectos que 3 copias de varios
genes actuando simultáneamente,
como es el caso del síndrome de Down.
Ratones transgénicos
• Se han producido ratones transgénicos que sobreexpresan
uno o más genes del cromosoma 21:
–
–
–
–
–
–
–
SOD1
APP
Dyrk1A
SIM2
S100β
ETS2
BACE2, etc.
• Muestran algún rasgo fenotípico similar al que se observa
en las personas con síndrome de Down
• A pesar de sus limitaciones intrínsecas, los ratones
transgénicos son muy útiles para probar moléculas con
fines terapéuticos.
Efecto de dosis de Dyrk1A in vivo
TgDyrk1A
• Neurodesarrollo
- Viabilidad y aspectos
somatométricos conservados
- Retraso del desarrollo
neuromotor y psicomotor general
• Estructura del SNC
- Sin alteraciones macroscópicas
importantes
- Alteraciones en la
microestructura del árbol
dendrítico en corteza cerebral
• Alteraciones comportamentales
- Alteraciones en coordinación
motora
- Hiperactividad
- Déficits en memoria y
aprendizaje visuo-espacial
Dyrk1A +/• Neurodesarrollo
- Reducción en la viabilidad
- Retraso general del desarrollo
somatométrico y neurológico
- Retraso del desarrollo
neuromotor
• Estructura del SNC
- Reducción general del tamaño
del cerebro
- Citoarquitectura conservada en
diferentes áreas
- Alteración de la microestructura
de las células piramidales,
reducción del neuropilo
• Alteraciones comportamentales
- Hipoactividad
- Alteraciones de aprendizaje y
memoria
A la izquierda se muestran campos de neuronas piramidales
de la corteza cerebral de ratón, mostrando sus ramificaciones
dendríticas. Arriba, ratones normales (control); abajo, ratones
heterocigotos a los que se les ha suprimido una copia del gen
Dyrk1A. A la derecha se muestran ejemplos de dendritas de
ambos grupos de ratones. Se aprecia la menor longitud en el
ratón heterocigoto, y la menor cantidad de espinas en las
dendritas (números de la derecha).
Los ratones TgDyrk1A
Presentan:
• Un retraso significativo en el desarrollo neuromotor,
• Alteraciones del aprendizaje y
• Un patrón locomotor hiperactivo en el adulto (Altafaj et al.
2001). Ello estaría en concordancia con el patrón de
expresión del gen, que es ubicuo durante el neurodesarrollo,
y en el adulto se concentra en regiones motoras, olfatorias y
en algunas estructuras cerebrales relacionadas con
procesos de memoria y aprendizaje.
• En tareas de aprendizaje, los ratones TgDyrk1A muestran
alteraciones en el aprendizaje visuoespacial y en la
flexibilidad cognitiva, lo que sugiere que hay alteraciones
subyacentes en hipocampo y en corteza cerebral.
.
Los ratones TgDyrk1A
• Si bien más leves, cualitativamente estas alteraciones
muestran una similitud clara con las observadas en el modelo
Ts65Dn (un modelo de trisomía parcial del cromosoma 16
murino). Y si bien es evidente que Dyrk1A no es el único gen
implicado en el defecto de memoria, estos hallazgos apuntan a
que podría ser uno de los genes candidatos importantes.
• En la corteza cerebral, la sobreexpresión de Dyrk1 A provoca
alteraciones en la formación de neuritas, caracterizadas por un
retraso en la elongación del axón y una alteración en el
número y tamaño de estructuras proliferantes, sugiriendo la
implicación de la sobreexpresión de este gen en las
alteraciones del aparato dendrítico que se observan en el
síndrome de Down.
Ratón trisómico
y síndrome de Down
• El ratón tiene 20 pares de cromosomas.
• Su cromosoma 16 contiene una porción con
un gran número de genes similares o
idénticos a los presentes en la región crítica
del cromosoma 21 humano.
• Contiene otros genes que no están en el
cromosoma 21 humano.
• No todos los genes del cromosoma 21
humano están representados en el 16 del
ratón.
• La trisomía completa del 16 no es viable.
Trisomía murina parcial
y el síndrome de Down
• Puesto que el HSA21 comparte una amplia
región de homología genética con el
cromosoma 16 del ratón, la producción de
ratones trisómicos segmentarios en el
cromosoma 16, con límites muy precisos de
la región triplicada, ofrece oportunidades
excelentes para examinar las correlaciones
entre el genotipo y el fenotipo, y sus
implicaciones terapéuticas.
El modelo Ts65Dn
• El modelo murino más poderoso y más utilizado
actualmente es el ratón Ts65Dn, producido por el
grupo de Davisson a comienzos de la década de
los noventa. Este ratón contiene un cromosoma
extra translocado, que se extiende por la mayor
parte de la región del MMU16 que es homólogo
para el HSA21, y está translocado en el
centrómero del MMU17. Contiene 136 genes que
son ortólogos para los genes humanos del 21.
Olson et al.,
Science 306, 687, 2004
El modelo Ts65Dn
• El ratón Ts65Dn posee muchos rasgos físicos,
conductuales y neurológicos que recuerdan a
los que se observan en las personas con
síndrome de Down, incluida la dismorfogénesis
craneofacial, la pérdida de neuronas
colinérgicas conforme avanza la edad, o los
déficit de memoria y de aprendizaje.
Patterson & Costa
Nature Reviews
6: 137-147, 2005
ESTUDIO DE LOS PATRONES
COGNITIVO Y CONDUCTUAL DEL
MODELO DE SÍNDROME DE DOWN
Ts65Dn
EFECTOS DEL ENRIQUECIMIENTO
AMBIENTAL
C. Martínez-Cué, C. Baamonde, M.A. Lumbreras, J. Paz,
M.T. Davisson, C. Schmidt, M. Dierssen & J. Flórez
Behavioural Brain Research 134: 185-200, 2002
Machos, NE
1000
1000
CO
**
Hembras, NE
**
*
TS
800
TS
800
*
*
600
600
400
400
N
O
200
N
EO
S
N
EO
S
E
S
N
O
2
S
3
4
N
EO
p<0.0001
Sesión 1
*
N
E O
S
CO
5
N
EO
S
6
S
7
200
N
E O
E
S
8
p<0.0001
Sesión 1
2
3
4
5
6
7
8
Machos, control
1000
Hembras, control
1000
EE
NE
EE
NE
800
800
600
600
400
400
N
O
200
N
EO
S
N
EO
N
E O
S
E
S
S
n.s.
Sesión 1
N
O
N
EO
S
2
3
4
5
N
EO
E
S
S
S
6
7
8
Machos, Ts65Dn
*
1000
200
N
E O
p<0.01
Sesión
1
2
3
4
5
6
Hembras, Ts65Dn
EE
NE
800
600
600
400
400
200
200
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4
5
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1000
EE
NE
800
Sesión 1
7
7
p<0.05
8
Sesión 1
2
3
4
5
6
7
8
Porcentaje de distancia en la periferia
100
Machos
EE
aabb
80
N
O
Hembras
NE
EE
E
S
NE
aabb
60
40
20
CO
TS
CO
TS
CO
TS
CO
TS
Grupo
N
Porcentaje de distancia en el centro
O
100
Machos
80
EE
Hembras
NE
EE
S
NE
60
aabb
aabb
40
20
CO
TS
CO
TS
CO
Grupo
TS
CO
E
TS
RESUMEN DE RESULTADOS
• El enriquecimiento indujo cambios conductuales y
de aprendizaje en los ratones Ts65Dn.
• El sexo fue un factor fundamental ya que mejoró
la ejecución en hembras mientras que la empeoró
en machos.
• Las diferencias en ejecución en el laberinto
acuático fueron debidas a diferencias en distancia
recorrida por la periferia del aparato, lo que indica
diferencias en estrategia de búsqueda de la
plataforma.
• El efecto del enriquecimiento fue más marcado
en la memoria de trabajo que en la de referencia.
TOTAL NUMBER OF SPINES
Control
6000
37% increase
Enriched control
Number of spines
5000
Down syndrome model
Non-enriched control
Non-enriched trisomic
Enriched trisomic
4000
3000
2000
1000
0
control
trisomic
Dierssen et al., Cerebral Cortex 13: 758-764., 2003
Grupo
Tipo de jaula
Estímulos
Físicos
Sociales
No enriquecidos en
jaulas estándar
Estándar de laboratorio
NO
NO
Enriquecidos en
jaulas estándar
Estándar de laboratorio
SI
NO
Enriquecimiento
ambiental
De grandes dimensiones
SI
SI
Condición social
De grandes dimensiones
NO
SI
Martínez-Cué et al. 2005
• Los ratones Ts65Dn se mostraron menos agresivos
que los controles en todas las condiciones, en especial
cuando eran tratados con enriquecimiento ambiental.
• La relación entre la agresividad y el deterioro
cognitivo encontrado en los ratones trisómicos indica
que recibir mayor número de ataques al estar en una
posición menor en la jerarquía de dominancia podría
estar implicado en el deterioro cognitivo encontrado en
estos animales.
11th division,
untreated
11th division,
treated with
GVS-111
GVS-111 enhances
Down syndrome
neuronal survival
in cortical cultures
Pelsman et al.,
Int J Devl Neurosci 21: 117-124, 2003
ADULT TREATMENT
n.s.
n.s.
p<0.001
p<0.001
Rueda et al., 2006
unpublished
PRE- AND POST- NATALLY TREATED MALES
F
40
40
40
30
20
20
20
10
10
10
p<0.05
2
3
4
5
6
7
n.s.
1
8
2
3
G
6
7
60
* ** ** ***
* **
40
50
*
40
*** *** ***
10
10
4
5
Session
6
7
8
6
7
**
p<0.001
1
2
3
4
Session
8
n.s.
1
2
3
5
6
7
8
4
5
6
7
8
Session
L
CO SGS-111
TS SGS-111
70
60
*
50
30
20
p<0.001
5
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20
3
4
*
50
20
10
10
CO saline
TS saline
60
30
2
3
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30
1
2
K
CO SGS-111
TS SGS-111
** ** ***
**
40
20
n.s.
1
8
50
Session
70
sec
50
5
H
CO saline
TS saline
70
60
4
TS saline
TS SGS-111
*
30
Session
Session
sec
1
sec
50
30
30
60
CO saline
CO SGS-111
sec
50
sec
50
sec
60
CO saline
CO SGS-111
60
TS saline
TS SGS-111
sec
60
70
70
70
70
PRE- AND POST- NATALLY TREATED FEMALES
J
I
sec
E
**
*
*
*
*
40
***
30
20
p<0.001
1
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3
4
5
Session
6
7
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p<0.001
10
1
2
3
4
5
Session
6
7
8
NH2 HCL
H3C
CH3
Memantine
Males
A.
70
B.
70
**
*
**
H2O TS
H2O CO
**
secs
50
60
*
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40
30
30
20
20
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p<0.001
1
2
3
4
5
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7
MEM TS
MEM CO
*
50
secs
60
p=0.010
8
1
2
3
session
5
6
7
8
session
C.
D.
70
MEM TS
60
70
MEM CO
60
H2O TS
H2O CO
50
secs
50
secs
4
40
40
30
30
20
20
10
10
p<0.01
1
2
3
4
5
session
6
7
8
n.s.
1
2
3
4
5
6
7
8
session
Rueda et al., 2006, unpublished
La fluoxetina aumenta la neurogénesis
en el hipocampo del ratón Ts65Dn
Clark et al. Exptl Neurol 200(1): 256-261, 2006
Señalar moléculas específicas
Entre las anomalías del desarrollo del ratón Ts65Dn, análogas
a las que se observa en el síndrome de Down, destaca el
tamaño pequeño del cerebelo que contiene menor número de
neuronas granulares y células de Purkinje. Esto se debe a
que existe un déficit en la respuesta mitogénica a la proteína
de señalización Hedgehog (Roper).
El tratamiento por vía sistémica de ratones Ts65Dn recién
nacidos con una pequeña molécula agonista de la vía
Hedgehog (SAG 1.1) incrementó las mitosis y restauró la
población de células precursoras de las neuronas granulares.
(Roper et al., 2006).
Precursores de
células granulares
Células en mitosis
Roper et al.,
PNAS 103(5): 1452-1456, 2006
El sistema GABA cerebral
• Existe un predominio en el número de sinapsis de
carácter GABA
• En consecuencia, existe un desajuste entre la actividad
de sistemas excitadores (glutamato) e inhibidores
(GABA)
• La aplicación de fármacos que reducen la actividad
GABA cerebral podría restablecer este desajuste
• Picrotoxina y pentilenetetrazol (cardiazol) antagonizan la
actividad del receptor GABA-A
Fernández et al., Nature Neuroscience 2007
Fernández et al., Nature Neuroscience 2007
B
TS Vehículo
CO Vehículo
* **
40
*
30
20
Latencia (s)
Latencia (s)
50
CO PTZ
60
60
50
50
40
40
30
20
n.s
p<0.001
1
2
3
4
5
Sesión
6
7
8
1
2
3
4
5
Sesión
6
CO Donepezilo
60
10
10
TS Donepezilo
C
TS PTZ
Latencia (s)
A
7
8
*
**
*
*
*
30
20
10
p<0.001
1
2
3
4
5
Sesión
6
7
8
Laberinto acuático de Morris
TS Vehículo
CO Vehículo
A
60
TS PTZ
TS Donepezilo
CO Donepezilo
60
50
50
40
40
Latencia (s)
Latencia (s)
B
CO PTZ
30
20
10
30
* *
20
10
n.s
1
2
3
4
5
Sesión
6
7
8
p<0.01
1
2
3
4
5
Sesión
6
7
8
El sistema GABA cerebral
• Los resultados muestran el valor positivo que puede tener la
aplicación a largo plazo de fármacos que reducen la
actividad GABA cerebral
• El riesgo reside en que produzcan una activación
generalizada en el cerebro
• Posibles vías de solución: aplicar agonistas inversos muy
selectivos para subtipos concretos de receptores GABA-A:
subtipo que contiene la subunidad α5
• El fármaco α5IA (3-(5-Meilisoxaxol-3-yl)6[(1-metil-1,2,3triazol-yl)metil-oxi]-1,2,4-triazolo[3,4,- α]ftalazina) es un
compuesto que tiene eficacia agonística inversa selectiva
para el subtipo α5 del receptor GABA-A. Incrementa la LTP
hipocampal y la cognición sin provocar efectos
convulsivantes o ansiogénicos en roedores
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