Alzheimer's disease is the most common form of dementia. Currently there is no cure, which is why in recent times, the interest of the scientific community has focused on the study of risk factors and the possibility of preventive action against them. The aim of this work was to analyze a possible correlation between sleep disorders and Alzheimer's disease. Sleep has a dual physiological relevance: it is involved in the consolidation of cognitive abilities and seems to play a role in the clearance of brain tissue from toxic aggregates, including neurofibrillary tangles and amyloid beta plaques, which characterize Alzheimer's disease. In our study, we used the 5xFAD transgenic animal model, which is genetically predisposed to develop the disease, and wild type mice; both strains were subjected to a sleep fragmentation protocol using tilting platforms to replicate the intermittent awakenings that occur in individuals with sleep disorders. Animals of both strains were subjected to behavioral tests to assess anxiety behavior, short-term working memory and spatial memory. Analyses of the behavioral tests showed that the fragmented mice, both 5xFAD and wild type, exhibited increased anxious behavior and impairment of both short-term memory and spatial memory. Analysis by electron microscopy showed that sleep fragmentation induces an acceleration of disease progression in 5xFAD mice, accompanied by marked glial activation. Although this finding did not initially correlate with the increased expression of aquaporin 4 channel (AQP4) in astrocytes, it represents a compensatory mechanism mediated by astrocyte activation to contain the disease in its early stages. In contrast, the expression of AQP4 in wild types is reduced, resulting in less cellular waste removal with consequent neuroinflammation and neuronal loss, which could underlie cognitive deficits. However, the mechanisms by which AQP4 expression is modulated are still unknown and need further investigation. If our hypotheses are confirmed, the modulation of AQP4 expression could represent the point of convergence between the pathogenetic mechanisms of Alzheimer's disease and sleep disorders. Furthermore, we were able to observe that in the wild type strain, sleep fragmentation affects cognitive abilities, as there was a decrease in c-Fos-positive and VGLUT1-positive nuclei, two markers of neuronal function, in areas of the brain that are essential for learning and memory consolidation, such as the amygdala and hippocampus.
La malattia di Alzheimer rappresenta la più comune forma di demenza. Ad oggi non esiste cura, per tale ragione negli ultimi tempi l’interesse della comunità scientifica si è focalizzato sullo studio di fattori di rischio e sulla possibilità di intervenire preventivamente su di essi. L’obiettivo di questo lavoro è stato analizzare una possibile correlazione tra i disturbi del sonno e la malattia di Alzheimer. Il sonno ha un duplice rilevanza fisiologica: è coinvolto nel consolidamento delle capacità cognitive e sembra avere un ruolo anche nella clearance del tessuto cerebrale dagli aggregati tossici, tra cui i grovigli neurofibrillari e le placche beta amiloidi, che caratterizzano la malattia di Alzheimer. Nel nostro studio abbiamo utilizzato il modello animale transgenico 5xFAD, geneticamente predisposto a sviluppare la malattia, e topi wild type; entrambi i ceppi sono stati sottoposti ad un protocollo di frammentazione del sonno effettuato mediante l’utilizzo di piattaforme basculanti per replicare i risvegli intermittenti che avvengono negli individui affetti da disturbi del sonno. Gli animali di entrambi i ceppi sono stati sottoposti a test comportamentali, al fine di valutare il comportamento ansioso, la memoria di lavoro a breve termine e la memoria spaziale. Dalle analisi dei test comportamentali è emerso che i topi frammentati, sia 5xFAD sia wild type, mostrano un accentuato comportamento ansioso e un peggioramento sia della memoria a breve termine sia della memoria spaziale. Dalle analisi effettuate tramite microscopia elettronica abbiamo potuto dimostrare che la frammentazione del sonno induce un’accelerazione della progressione della malattia nei topi 5xFAD, accompagnata da una spiccata attivazione gliale. Questo dato, seppur inizialmente non correlasse con l’aumento dell’espressione dell’acquaporina 4 (AQP4) a livello degli astrociti, rappresenta un meccanismo compensatorio mediato dall’attivazione astrocitaria nel tentativo di contenere la patologia nei primi stadi di insorgenza. Al contrario, l’espressione di AQP4 nei wild type risulta essere ridotta, il che si traduce in una minore eliminazione degli scarti cellulari con una conseguente neuroinfiammazione e perdita neuronale, che potrebbero essere alla base dei deficit cognitivi. Tuttavia, i meccanismi di modulazione dell’espressione di AQP4 sono ancora sconosciuti e necessitano di ulteriori approfondimenti. Se le nostre ipotesi saranno confermate, la modulazione dell’espressione dell'AQP4 potrebbe rappresentare il punto di convergenza tra i meccanismi patogenetici della malattia di Alzheimer e dei disturbi del sonno. Inoltre, abbiamo potuto osservare che nel ceppo wild type la frammentazione del sonno influisce sulle capacità cognitive, in quanto si è verificata una diminuzione dei nuclei c-Fos positivi e VGLUT1 positivi, due marcatori della funzionalità neuronale, in aree del cervello fondamentali per l’apprendimento ed il consolidamento della memoria, come l’amigdala e l’ippocampo.
The pathogenetic role of sleep fragmentation in neurodegenerative disorders in wild type and 5xFAD mouse models
MACHELLI, VITTORIA
2023/2024
Abstract
La malattia di Alzheimer rappresenta la più comune forma di demenza. Ad oggi non esiste cura, per tale ragione negli ultimi tempi l’interesse della comunità scientifica si è focalizzato sullo studio di fattori di rischio e sulla possibilità di intervenire preventivamente su di essi. L’obiettivo di questo lavoro è stato analizzare una possibile correlazione tra i disturbi del sonno e la malattia di Alzheimer. Il sonno ha un duplice rilevanza fisiologica: è coinvolto nel consolidamento delle capacità cognitive e sembra avere un ruolo anche nella clearance del tessuto cerebrale dagli aggregati tossici, tra cui i grovigli neurofibrillari e le placche beta amiloidi, che caratterizzano la malattia di Alzheimer. Nel nostro studio abbiamo utilizzato il modello animale transgenico 5xFAD, geneticamente predisposto a sviluppare la malattia, e topi wild type; entrambi i ceppi sono stati sottoposti ad un protocollo di frammentazione del sonno effettuato mediante l’utilizzo di piattaforme basculanti per replicare i risvegli intermittenti che avvengono negli individui affetti da disturbi del sonno. Gli animali di entrambi i ceppi sono stati sottoposti a test comportamentali, al fine di valutare il comportamento ansioso, la memoria di lavoro a breve termine e la memoria spaziale. Dalle analisi dei test comportamentali è emerso che i topi frammentati, sia 5xFAD sia wild type, mostrano un accentuato comportamento ansioso e un peggioramento sia della memoria a breve termine sia della memoria spaziale. Dalle analisi effettuate tramite microscopia elettronica abbiamo potuto dimostrare che la frammentazione del sonno induce un’accelerazione della progressione della malattia nei topi 5xFAD, accompagnata da una spiccata attivazione gliale. Questo dato, seppur inizialmente non correlasse con l’aumento dell’espressione dell’acquaporina 4 (AQP4) a livello degli astrociti, rappresenta un meccanismo compensatorio mediato dall’attivazione astrocitaria nel tentativo di contenere la patologia nei primi stadi di insorgenza. Al contrario, l’espressione di AQP4 nei wild type risulta essere ridotta, il che si traduce in una minore eliminazione degli scarti cellulari con una conseguente neuroinfiammazione e perdita neuronale, che potrebbero essere alla base dei deficit cognitivi. Tuttavia, i meccanismi di modulazione dell’espressione di AQP4 sono ancora sconosciuti e necessitano di ulteriori approfondimenti. Se le nostre ipotesi saranno confermate, la modulazione dell’espressione dell'AQP4 potrebbe rappresentare il punto di convergenza tra i meccanismi patogenetici della malattia di Alzheimer e dei disturbi del sonno. Inoltre, abbiamo potuto osservare che nel ceppo wild type la frammentazione del sonno influisce sulle capacità cognitive, in quanto si è verificata una diminuzione dei nuclei c-Fos positivi e VGLUT1 positivi, due marcatori della funzionalità neuronale, in aree del cervello fondamentali per l’apprendimento ed il consolidamento della memoria, come l’amigdala e l’ippocampo.| File | Dimensione | Formato | |
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