Exploring the role of astrocytic Ca2+ signaling in Alzheimer's Disease

Alzheimer's disease (AD) is a chronic incurable neurodegenerative disease, characterized by severe and progressive memory loss and cognitive dysfunctions. The molecular and cellular mechanisms of AD pathogenesis and the early events that anticipate the cognitive decline remain poorly understood. Over the last decades research on neurodegenerative diseases has always been conducted by starting from the aetiology of the disease and proceeding then by looking at the effect of the different hallmarks mainly on neuronal physiology. Noteworthy, a fundamental albeit neglected aspect is the accumulating evidence of the existence in the brain of dynamic interactions between neurons and astrocytes. Astrocytes are the most abundant type of glial cells in the central nervous system, they are electrically unexcitable but express a form of excitability based on variations of the intracellular concentration of Ca2+ ions. It is now largely recognized that astrocytes play crucial roles in brain function, from the control of tissue homeostasis to the modulation of both neurovascular coupling and synaptic transmission. Considering the variety of functions exerted by astrocytes in the brain, it is reasonable to hypothesize an involvement of this cell type in the pathogenesis of brain disorders, including AD. The main goal of my PhD project is to shed light onto the relationship between astrocytic Ca2+ signaling and AD. We focused on astrocytic Ca2+ dysfunctions in mouse models of AD along the progression of the disease, by clarifying whether astrocytic Ca2+ signal dysfunctions precede or follow Abeta plaque deposition. We evaluated the nature of these alterations in terms of signaling pathways, astrocytic compartments, i.e. soma, proximal processes and microdomains, and brain areas involved. To this aim, we employed three FAD mouse models, PS2.30H and APPSwe, which express the human PS2-N141I mutation and the human APP Swedish mutation alone respectively, and the PS2APP (B6.152H) model that expresses both mutants. All the experiments were carried out in mice at 3 and 6 months of age, before and after, respectively, the onset of plaque deposition in the PS2APP model. To investigate astrocytic activity, I carried out Ca2+ imaging experiments in brain slice and in vivo preparations from somato-sensory cortex (SSCx) and hippocampal brain slices by using the genetically encoded Ca2+ indicator (GECI) GCaMP6f which allows to study Ca2+ signals with high spatial resolution at different astrocytic compartments, including Ca2+ microdomains at the thin processes in close contact with the synapses. We found that along with the progression of AD, astrocyte Ca2+ activity in the SSCx exhibits a sequence of changes: in 3-month-old PS2APP mice, spontaneous activity is significantly increased, while in 6-month-old PS2APP mice, i.e. after the appearance of amyloid plaques, both spontaneous activity and the responsiveness to different metabotropic agonists are drastically reduced in all astrocytic territories. The decrease in evoked responses is likely due to a general IP3-dependent mechanism. Moreover, we verified that these alterations are not present in APPSwe and PS2.30H mice, demonstrating that the expression of APP or PS2 mutant alone is not sufficient to fully recapitulate the astrocytic Ca2+ defects observed in PS2APP mice. Although these defects start in concomitance with Aβ plaque deposition, astrocytic hypoactivity is unrelated to plaque proximity. We are currently investigating whether these alterations are maintained in the real in vivo context. Preliminary experiments reveal that, as in brain slices, spontaneous activity is drastically reduced in the SSCx of anesthetized mice. In conclusion, astrocytic Ca2+ activity is strongly affected in AD. Additional experiments are currently under development, to assess the relevance of these astrocytic Ca2+ defects in the disturbances of synaptic plasticity and learning/memory functions characterizing AD.

Il morbo di Alzheimer è una malattia neurodegenerativa, ancora oggi incurabile, che rappresenta circa il 60% dei casi di demenza. I pazienti AD mostrano un lento e progressivo declino delle funzioni cognitive. I meccanismi molecolari e cellulari alla base del morbo di Alzheimer sono ancora largamente ignoti. Negli ultimi anni la ricerca scientifica si è focalizzata sullo studio degli effetti dei principali marcatori della malattia, i.e. placche amiloidi e grovigli neurofibrillari, sulla fisiologia neuronale. Un aspetto cruciale, sebbene a lungo trascurato,è l'esistenza di complesse interazioni fra i neuroni e gli astrociti, le cellule gliali più abbondanti del nostro cervello. Al contrario dei neuroni, gli astrociti sono cellule elettricamente non eccitabili, che tuttavia posseggono una forma diversa di eccitabilità  basata su variazioni della concentrazione intracellulare dello ione Ca2+. Gli astrociti svolgono una grande varietà  di funzioni che vanno dal controllo dell'omeostasi cerebrale alla modulazione del coupling neurovascolare e della trasmissione sinaptica. L' obiettivo della mia tesi di dottorato è quello di esplorare il possibile ruolo di queste cellule nel morbo di Alzheimer. In particolare, la nostra attenzione si è focalizzata sullo studio di possibili disfunzioni del segnale Ca2+ astrocitario in modelli murini del morbo di Alzheimer, studiando i cambiamenti dell' attività  Ca2+ negli astrociti durante la progressione della malattia, verificando quindi se le disfunzioni astrocitarie siano precedenti o successive alla deposizione delle placche amiloidi. Abbiamo caratterizzato queste disfunzioni in termini di vie di segnale, compartimenti astrocitari, i.e. soma, processi prossimali e microdomini, e aree cerebrali coinvolte. Nello specifico, abbiamo usato tre modelli murini che presentano mutazioni correlate con le forme familiari di morbo di Alzheimer. I modelli PS2.30H e APPSwe esprimono rispettivamente una forma umana mutata di PS2 (PS2-N141I) e di APP (APPSwe). Il terzo modello, PS2APP (B6.152H), esprime entrambe le proteine mutate. Gli esperimenti sono stati condotti a 3 e 6 mesi, rispettivamente prima e dopo la comparsa delle placche amiloidi nel modello PS2APP. Per studiare l'attività astrocitaria abbiamo condotto esperimenti di Ca2+ imaging in preparazioni ex vivo ed in vivo di corteccia somato-sensoriale e in fettine ippocampali. Per studiare il segnale Ca2+ astrocitario a livello del soma e dei processi, inclusi quelli più a contatto con le sinapsi, abbiamo usato un indicatore genetico per il Ca2+, il GCaMP6f. Dai nostri risultati si evince che durante la progressione della patologia nei topi PS2APP l' attività  degli astrociti subisce diversi cambiamenti: a 3 mesi l'attività  spontanea è significativamente aumentata, mentre a 6 mesi, dopo la comparsa delle placche amiloidi, sia l'attività spontanea che quella evocata dall' attivazione di diversi recettori metabotropici sono drasticamente ridotte in tutti i compartimenti astrocitari. La riduzione della risposta evocata sembra essere dovuta ad un meccanismo generale dipendente dal segnale IP3. Queste alterazioni non sono presenti negli altri due modelli murini di Alzheimer usati, dimostrando che l'espressione dell'APP o della PS2 mutata da sola non è sufficiente a ricapitolare i difetti astrocitari del segnale Ca2+ presenti nel modello PS2APP. Sebbene nel modello PS2APP le alterazioni si presentino in concomitanza con le placche amiloidi, l'poattività  astrocitaria non è influenzata dalla vicinanza delle placche. Inoltre, esperimenti preliminari in vivo confermano che nei topi PS2APP l'attività astrocitaria a 6 mesi è drasticamente ridotta. In conclusione, nel modello PS2APP l'attività Ca2+ degli astrociti è severamente alterata. Ulteriori esperimenti, anche di tipo comportamentale, atti ad investigare le conseguenze di queste alterazioni del segnale Ca2+ astrocitario sono attualmente in sviluppo.