Plasticità neuromuscolare clobetasol mediata e modulazione dell’asse neurogliale in un modello sperimentale di deplezione selettiva dei motoneuroni

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease characterized by degeneration of upper and lower motoneurons. Although the main feature is motoneuronal loss, ALS is more than a motoneuronal disease, whose pathophysiology made ALS a multisystem disease, involving also non autonomous cells, particularly astrocytes, microglia and muscle cells, which altogether contribute to generate a hostile microenvironment for neurons survival. To this date, it is impossible for ALS patients to escape from death, which inevitably occurs in 3-5 years from diagnosis, considering also that the only FDA-approved drugs, such riluzole and edaravone, barely slow disease progression and increase life expectancy of just a couple of months. Transgenic mice models, for their capacity to recapitulate accurately characteristics of human ALS disease, are the most used to shed light on pathological mechanisms and uncover new therapeutic approaches. Nevertheless, new animal models should be examined, considering also that sporadic ALS is the most prevalent form. From this point of view, innovative reductionistic animal models would help to dissect step by step aspects of a such complex disease, regardless of the presence of a gene mutation. Herein, for this PhD project we thought to characterize an experimental model of selective motoneuronal depletion induced by a toxin, referred as CTB-Sap model, and to investigate the involvement and modulation of a pathway important for regenerative and compensatory processes, which is the sonic hedgehog (Shh) signaling pathway, whose disruption has been discovered in neurodegenerative diseases including ALS. Recent literature highlights the potential neuroprotective effects of clobetasol, a glucocorticoid FDA approved drug for dermatological conditions, which besides the principal glucocorticoid receptor-based mechanism of action, it has also been demonstrated to be able to activate the canonical Shh signaling pathway acting as an agonist of a component of the pathway, which is the coreceptor Smo. Thus, we decided to assess the effects of clobetasol in CTB-Sap motoneurons depleted mice, focusing on potential functional recovery, spinal cells and muscular cells modulation, also including metabolic reprogramming impact. Our results demonstrate that clobetasol promotes 1) behavioral improvement reducing muscle denervation; 2) spinal cord plasticity restoring Shh signaling; 3) metabolic reprogramming and pro-inflammatory resident cells reduction in the spinal cord; 4) muscle repair and metabolic changes, with reestablished mitochondrial integrity. Collectively, we assume that all those clobetasol induced effects in both spinal cord and muscle finally converge in an overall neuromuscular plasticity upon motoneuronal loss, thus suggesting clobetasol for potential translational drug therapy to promote compensatory and regenerative mechanisms in motoneuronal depleted diseases.

La sclerosi laterale amiotrofica (SLA) è una malattia neurodegenerativa caratterizzata dalla degenerazione dei motoneuroni superiori e inferiori. Sebbene la caratteristica principale sia la morte dei motoneuroni, la SLA è una malattia molto più complessa, la cui fisiopatologia la rende una malattia multi-sistemica, coinvolgendo anche le cellule non neuronali, come gli astrociti, la microglia e le cellule muscolari, che insieme contribuiscono a generare un ambiente ostile per la sopravvivenza dei neuroni. Ad oggi, i pazienti SLA muoiono nell’arco di 3-5 anni dalla diagnosi, e gli unici farmaci approvati, il riluzolo e l’edaravone, si limitano a rallentare la progressione della malattia, aumentando di poco l’aspettativa di vita. I modelli transgenici di malattia, per la loro capacità di ricapitolare in modo accurato aspetti caratterizzanti della SLA, sono fino ad ora quelli più impiegati per studiare i meccanismi patologici che vi sono alla base e per testare nuovi approcci terapeutici. Tuttavia, nuovi modelli riduzionistici aiuterebbero a semplificare e a dissezionare più da vicino aspetti di una così complessa malattia, a prescindere dalla presenza di mutazioni genetiche, considerando anche che la forma prevalente di SLA è quella sporadica. Lo scopo di questo progetto di dottorato è stato quello di caratterizzare un modello sperimentale di deplezione selettiva dei motoneuroni indotto da una tossina, conosciuto come modello CTB-Sap, e di studiare il coinvolgimento e la modulazione di una pathway importante per i processi rigenerativi e compensatori, la pathway di sonic hedgehog (Shh), la cui alterazione è stata riscontrata in alcune malattie neurodegenerative, compresa la SLA. Studi recenti hanno dimostrato i potenziali effetti neuroprotettivi del clobetasol, un glucocorticoide approvato per affezioni dermatologiche, il quale, oltre al principale meccanismo di azione legato all’attivazione dei recettori glucocorticoidi, è in grado di attivare la pathway canonica di Shh come agonista del co-recettore Smo. Per tale ragione, sono stati valutati gli effetti del clobetasol nel modello di deplezione selettiva dei motoneuroni CTB-Sap, focalizzandosi su un potenziale ricovero funzionale e la modulazione delle cellule spinali e muscolari, includendo anche lo studio da un punto di vista dei metaboliti. I risultati di questo progetto di ricerca dimostrano che il clobetasol promuove 1) un miglioramento comportamentale motorio riducendo la denervazione a livello muscolare; 2) un processo di plasticità spinale tramite la modulazione del segnale della pathway di Shh; 3) una modulazione metabolica e una riduzione delle cellule pro-infiammatorie a livello spinale; 4) un recupero morfo-funzionale a livello muscolare con ripristino dell’integrità mitocondriale e modulazione del profilo metabolico. Complessivamente, gli effetti indotti dal clobetasol a livello spinale e muscolare convergono nel supportare un effetto sulla plasticità neuromuscolare a fronte della perdita dei motoneuroni, suggerendolo come impiego traslazionale per il potenziale trattamento in malattie dei motoneuroni.