SYSTEMIC ALTERATIONS AND BRAIN CHANGES IN PHYSIOLOGY AND PATHOLOGY. THE OCTODON DEGUS AS A MODEL OF AGING AND MULTIMORBIDITY

L'aspettativa di vita a livello globale è aumentata drasticamente nell'ultimo secolo, con il conseguente aumento della percentuale di persone con più di 65 anni. Purtroppo, l’aumento della longevità non è stato accompagnato da un aumento degli anni di "vita libera dalla malattia". Al contrario, l'incidenza e l'impatto (sociale ed economico) delle malattie legate all'età sono aumentati in parallelo. Per tutti questi motivi, lo studio dei meccanismi associati all'invecchiamento è un'area di vitale importanza per identificare quali caratteristiche dell’invecchiamento sono correlate alla comparsa di patologie associate all'età, come le malattie cardiovascolari, il cancro e i disturbi neurodegenerativi. Inoltre, l'invecchiamento della popolazione è caratterizzato dall’insorgenza di specifiche condizioni concomitanti, tra cui la perdita di funzioni cognitive e fisiche, la politerapia o la multimorbilità. A questo proposito, è fondamentale considerare l'ampia comunicazione che esiste tra diversi tessuti e sistemi di organi. In altre parole, i cambiamenti che si verificano a livello sistemico possono avere un effetto a livello del sistema nervoso centrale e vice versa. È dimostrato che l'invecchiamento si manifesta a livello clinico quando c'è uno squilibrio tra il danno cellulare e i meccanismi di compensazione. È evidente, però, che questo processo e la predisposizione alla multimorbilità si manifestano in modo eterogeneo tra diversi individui. Questa variabilità individuale appare come il risultato dell'interazione tra diversi fattori biologici, come la genetica o il sesso biologico, e fattori esterni, come l'ambiente, la dieta o i fattori di condizionamento socioeconomici. In particolare, negli ultimi decenni è stato sempre più riconosciuto il ruolo del sesso biologico e del genere nella comparsa di diverse patologie, nella prognosi e nella risposta ai trattamenti. Nonostante ciò, l'inclusione del sesso (e del genere) come variabile rappresenta ancora una necessità nella ricerca clinica e preclinica. La ricerca sull'invecchiamento nei pazienti umani presenta degli ostacoli. In questo senso, l'uso di modelli sperimentali è molto utile nelle fasi precliniche e può aiutare a comprendere la natura dei meccanismi alla base dell'invecchiamento e come le sue interazioni possano predisporre alla patologia. Negli ultimi anni, l'Octodon degus (O. degus) è stato proposto come modello importante per la ricerca biomedica. A differenza dei roditori tradizionali, l’O. degus è diurno e presenta svariate caratteristiche biologiche simili all'uomo, compreso lo sviluppo di alcuni tratti patologici associati all'invecchiamento umano; tra questi, sono stati descritti la comparsa spontanea di placche di beta-amiloide e depositi di proteina tau fosforilata e disfunzioni postsinaptiche. Esiste anche un elevato grado di omologia con le più comuni proteine associate alle malattie neurodegenerative (beta-amiloide, tau, alpha-sinucleina e APOE). Inoltre, in questo modello sono stati descritti alcuni cambiamenti legati all'età, come attivazione astrocitaria e marcatori dello stress ossidativo, apoptosi neuronale, alterazioni della materia bianca simili a quelle dell'invecchiamento umano, disfunzioni cognitive e comportamentali, diabete di tipo II, cataratta, alterazioni della retina e cambiamenti del ritmo circadiano. Pertanto, questo modello rappresenta un'alternativa promettente per riprodurre lo scenario di multimorbilità che si riscontra nell'invecchiamento umano. Tuttavia, diversi aspetti della biologia dell’O. degus non sono stati caratterizzati ancora. Con queste premesse, l'obiettivo principale di questa tesi è stato quello di utilizzare il modello di invecchiamento naturale O. degus per esplorare i cambiamenti sistemici e cerebrali che si verificano con l'età, nonché la loro interazione, tenendo conto dell’influenza del sesso. A tal fine, sono stati condotti studi su un totale di 110 animali di età compresa tra i 6 mesi e i 7 anni, suddivisi per età, sesso o trattamento. I dati presentati in questa tesi sono il risultato della combinazione dell’analisi in vivo (analiti plasmatici, funzione cardiaca e comportamento), con la valutazione post mortem in diverse aree cerebrali dei processi neuroinfiammatori, cambiamenti nella composizione lipidica, perossidazione lipidica e morte neuronale. La prima parte dei risultati di questo lavoro comprende l’analisi del profilo biochimico specifico del sesso nel sangue di O. degus durante l'invecchiamento. Gli analiti studiati ci hanno permesso di esaminare il metabolismo generale, le funzioni epatiche, renali e pancreatiche, lo stato ossidativo e infiammatorio. Abbiamo riscontrato che la maggior parte dei parametri era significativamente alterata negli animali invecchiati, con differenze tra machi e femmine. In particolare, i livelli di proteine totali, colesterolo e calcio sono risultati significativamente più elevati negli O. degus anziani rispetto a quelli più giovani. Gli analiti analizzati hanno indicato che questi animali sviluppano disfunzioni epatiche, renali e pancreatiche associate all'invecchiamento. Inoltre, i livelli di ossidazione e infiammazione plasmatica sono risultati significativamente più elevati negli animali anziani rispetto a quelli giovani. Nell’invecchiamento, differenze legate al sesso sono state trovate, soprattutto nei marcatori del metabolismo epatico, muscolare e renale, negli stati redox e infiammatori. Le differenze maggiori sono state riscontrate nello stato ossidativo, con livelli più elevati nei maschi rispetto alle femmine. A causa dell'elevata variabilità interindividuale dei dati, soprattutto nei gruppi più anziani, le analisi statistiche non hanno mostrato differenze significative in alcuni parametri, tra cui i livelli di glucosio o gli indicatori di infiammazione. Questa situazione è di grande interesse poiché, tenendo conto che gli animali di questo studio non sono geneticamente identici e che sono stati tenuti in condizioni ambientali identiche, solo alcuni di essi sono suscettibili allo sviluppo di stati patologici sub-clinici che possono predisporre all’insorgenza di malattie croniche associate all'invecchiamento. Il secondo blocco di risultati è relativo allo studio della funzione cardiaca in vivo, valutata mediante elettrocardiografia. In questa sezione sono stati determinati gli intervalli di normalità per la frequenza cardiaca, la durata e il voltaggio delle onde e degli intervalli dell’elettrocardiogramma, nonché la deviazione dell'asse elettrico. L'analisi statistica ha rivelato che i parametri che mostravano le maggiori differenze in base al sesso sono stati la maggiore incidenza di aritmie e la maggiore deviazione dell'asse elettrico del cuore nei maschi rispetto alle femmine. Inoltre, sono state rilevate alcune modifiche dell'elettrocardiogramma nel confronto tra le diverse età. La frequenza cardiaca è diminuita in modo significativo negli animali di età più avanzata, con i maschi più colpiti delle femmine. La durata del complesso QRS è aumentata significativamente nelle femmine con l'avanzare dell'età, ma non nei maschi. Infine, la durata dell'intervallo QT delle femmine più giovani era significativamente più breve rispetto a quello dei maschi della stessa età, mentre nella fase senescente la situazione era invertita. Pertanto, i dati ottenuti mostrano che O. degus sviluppa alterazioni cardiache spontanee associate all'invecchiamento che differiscono tra maschi e femmine, il che aggiunge valore al suo potenziale utilizzo come modello naturale per le indagini sul sistema cardiovascolare. In terzo luogo, abbiamo analizzato il deterioramento cognitivo associato all'invecchiamento in modo genere-dipendente e la sua possibile relazione con lo stato neuroinfiammatorio (microglia e astrociti) nell'ippocampo dorsale. Durante tutte le fasi sperimentali gli O. degus anziani (>4 anni) hanno mostrato un declino cognitivo molto significativo rispetto agli animali giovani. È interessante notare che, indagando le possibili differenze associate al sesso degli animali, abbiamo riscontrato che queste, pur non essendo state riscontrate negli animali più giovani, erano significative in quelli più anziani. Pertanto, nelle varie sessioni di allenamento, le femmine hanno mostrato una performance migliore rispetto ai maschi; la situazione si è invertita nel giorno del test finale. Gli studi post mortem hanno rivelato che, in tutte le sotto-aree dell'ippocampo dorsale analizzate, la neuroinfiammazione aumentava significativamente negli animali più anziani, con livelli di immunomarcatura basale per microglia e astrociti più elevati nei maschi rispetto alle femmine. Le analisi di correlazione hanno indicato che l'aumento della neuroinfiammazione è correlato a prestazioni cognitive peggiori, soprattutto nelle aree del giro dentato e del Cornu Ammonis (regione 1). Le informazioni derivate da questi studi dimostrano per la prima volta il declino cognitivo associato all'età in O. degus e la sua relazione con la neuroinfiammazione nell'ippocampo dorsale, con una componente di variabilità interindividuale. Il quarto blocco di risultati corrisponde all'analisi della composizione lipidica nel cervello di O. degus durante l'invecchiamento, in relazione al sesso. A tal fine, sono state analizzate quattro aree cerebrali: corteccia prefrontale (CPF), striato, corteccia e cervelletto. L'analisi degli estratti lipidici totali ha mostrato che le variazioni delle specie lipidiche nella CPF, nello striato e nella corteccia erano più influenzate dall'età degli animali che dal sesso, mentre nel cervelletto entrambe le variabili influenzavano la composizione lipidica. I cambiamenti osservati durante l'invecchiamento sono specifici per ogni regione, mentre quelli dei glicosfingolipidi sono comuni a tutte le regioni. Le maggiori differenze legate al sesso sono state riscontrate nei gangliosidi, a tutte le età, mentre la sfingomielina e i solfatidi sono risultati significativamente diversi nel confronto tra maschi e femmine in età senile. Infine, dato il suo ruolo chiave nei circuiti della memoria spaziale, nella CPF è stata analizzata la perossidazione lipidica (POL), di cui ne è stato riscontrato un aumento significativo durante l'invecchiamento e nel confronto tra maschi e femmine. Inoltre, una POL più elevata correlava in modo significativo con prestazioni cognitive peggiori. Questi risultati, da un lato rappresentano una prima informazione nella caratterizzazione dei lipidi cerebrali di questo modello, dall’altro confermano che il sesso costituisce un’ulteriore variabile per comprendere il diverso grado di neurodegenerazione associata all'età, nonché la diversa incidenza di alcune malattie, come il morbo di Alzheimer, in maschi e femmine. Infine, O. degus è stato validato come modello di parkinsonismo sperimentale basato sull'intossicazione da 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetraidropiridina (MPTP). Gli animali intossicati da MPTP hanno mostrato una disregolazione dei livelli di glucosio nel sangue, oltre a disturbi motori e cognitivi. L'analisi post mortem ha rivelato una perdita notevolmente significativa di neuroni dopaminergici nella Substantia Nigra pars compacta (SNpc) e nell'area tegmentale ventrale (ATV), sebbene i terminali dopaminergici non fossero alterati. Analogamente, negli animali intossicati da MPTP è stata rilevata una riduzione altamente significativa dei neuroni noradrenergici nel locus coeruleus (LC). Questi risultati sono stati accompagnati da un aumento significativo delle risposte microgliali e astrogliali nel mesencefalo ventrale (SNpc e ATV), nello striato, nell'ippocampo dorsale e nel LC degli animali “parkinsonizzati”. Questi risultati dimostrano, per la prima volta, che O. degus è sensibile alla neurotossicità indotta dall'MPTP, rendendolo un modello adatto per lo studio del parkinsonismo sperimentale, al di là della compromissione motoria. In conclusione, questa ricerca offre un contributo ragionevole alla comunità scientifica sotto diversi aspetti. Da un lato, uno studio longitudinale di questa portata che considera maschi e femmine in O. degus non è mai stato condotto prima. In primo luogo, fornisce la convalida di protocolli che non erano stati utilizzati in precedenza in questa specie. In secondo luogo, i risultati presentati in questa tesi contribuiscono a una migliore caratterizzazione di O. degus, fornendo un punto di partenza per futuri studi sulla fisiopatologia e linee guida veterinarie per la diagnosi precoce e il monitoraggio delle alterazioni. D'altra parte, i risultati ottenuti confermano che questa specie è uno strumento unico per la ricerca sull'invecchiamento nel contesto della multimorbilità, con somiglianze con l'uomo che non sono presenti in altri modelli preclinici. Inoltre, le differenze associate al sesso riscontrate aumentano il valore di questo modello, in quanto offre la possibilità di affrontare studi futuri da una prospettiva sessuale in fisiologia e patologia. Infine, i risultati presentati in questa tesi pongono le basi per studi futuri che si concentrano sia sull'ulteriore caratterizzazione del modello sia sulla suscettibilità individuale allo sviluppo di malattie associate all'età, con la possibilità di studiare le differenze di sesso.

Grantor dc:publisher

Università degli Studi di Milano

Year dc:date

2023

Author dc:creator

• CUENCA BERMEJO, LORENA

Contributors dc:contributor

• TUTORS: A. PRINETTI
• M.T. HERRERO EZQUERRO ; COORDINATOR UNIMI: C. SFORZA ; COORDINATOR UNIVERSITY OF MURCIA: E. LARQUÉ DAZA
• L. CUENCA BERMEJO
• PRINETTI, ALESSANDRO ENNIO GIUSEPPE
• SFORZA, CHIARELLA

• Octodon degu
• aging
• sex
• blood
• biochemistry
• heart
• electrocardiogram
• brain
• neurodegeneration
• memory
• cognitive decline
• neuroinflammation
• lipid
• oxidative stre
• Parkinson's disease
• MPTP.
• Settore BIO/10 - Biochimica

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess

Language dc:language

eng

Identifier

http://dx.doi.org/10.13130/cuenca-bermejo-lorena_phd2023-06-15
10.13130/cuenca-bermejo-lorena_phd2023-06-15

OAI identifier oai:identifier

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