Transcriptional signatures of resilient and susceptible phenotypes in a novel arousal-based individual screening (AIS) PTSD-like model

Post-traumatic stress disorder (PTSD) is not a well-defined psychiatric disorder leading to a variable but durable psychic trauma. The definition and diagnosis of PTSD in humans is based on behavioral symptoms and self-reports, and there is a large overlap with other disorders, including mood disorders, anxiety disorders, as well as alcohol and drug abuse which exacerbates the outcome and complicates treatment. Moreover, only a subset of people experiencing a trauma will develop PTSD, underlining the importance of individual variation. Animal models for understanding the neurobiology of PTSD are expected to unravel the cellular and molecular mechanisms associated with this disorder and, accordingly, reveal novel targets for drug development. While the last two decades have seen a rapid progress in the development of non-invasive technologies to study human brain structure and function, there remain significant limitations in the ability to investigate details of the physiology and molecular biology of the human brain. The anatomical and physiological similarities between humans and other mammals, in particular rodents, have prompted researchers to investigate a large range of neurophysiological mechanisms and assess novel therapies in animal models before applying their discoveries to humans. Translational animal models for PTSD should encompass crucial features, including persistence of PTSD-like phenotypes, trauma susceptibility/resilience and predictive validity. Here we propose a novel arousal-based individual screening (AIS) model of PTSD that recapitulates all these features. The AIS model was designed by coupling the traumatization (24h restraint) of C57BL/6J mice with a behaviorally based individual screening consisting of z-normalization of post-trauma changes in startle reactivity, which is a measure of arousal depending on neural circuits present in all mammals. Through the AIS model, we identified susceptible mice showing long-lasting hyper-arousal (up to 56 days post-trauma), and resilient mice showing normal arousal. Susceptible mice further showed persistent PTSD-like phenotypes including exaggerated fear reactivity and avoidance of trauma-related cue (up to 75 days post-trauma), increased avoidance like behavior and social/cognitive impairment. Conversely, resilient mice adopted active coping strategies, behaving like control mice. The understanding the neurobiology of PTSD involves the insight of the mechanisms of susceptibility and resilience. A genetic background is not sufficient to properly explain individual differences in sensitivity to stress and trauma, since individual biological diversities are also found within genetically homogeneous populations, such as inbred mice. Moreover, life experiences could interact with the genetic background producing long lasting alterations in coping abilities later in life. For this purpose, we investigated the transcriptional expression of specific PTSD-related genes and the relative targeting miRNAs in different brain areas (mPFC, HP, HT). Our bioinformatic analysis suggested four potentially targeting miRNAs (miR-15a-5p, miR-497a-5p, miR-511-5p, let-7d-5p) for two key genes: FKBP5 and BDNF. The expression analysis of mRNA targets and relative miRNAs showed alterations with a brain area specificity. These alterations were associated to susceptible and resilient phenotypes of traumatized mice, and linearly correlated with behavioral scores indicating the arousal levels, the avoidance of social interactions and the PTSD-like scores of animals. These data taken together contribute to the understanding of non-coding RNA role in AIS model and may help to identify novel biomarkers for resilience or vulnerability to stress which, in turn, could provide valuable information for the prevention and treatment of stress-related psychiatric disorders.

Il disturbo da stress post-traumatico (PTSD: post-traumatic stress disorder) è una patologia psichiatrica non ancora ben definita, da cui ne consegue un trauma psichico variabile ma duraturo. La definizione e la diagnosi del PTSD negli esseri umani si basa su sintomi comportamentali riportati attraverso test di autovalutazione. La vasta sovrapposizione con altri disturbi, tra cui disturbi dell'umore, disturbi d'ansia ed abuso di alcool e droghe, complicano sempre più l’efficacia dei trattamenti farmacologici. Va inoltre sottolineata l’importanza delle variazioni individuali, considerando che solo un ristretto sottogruppo di persone svilupperà il PTSD dopo aver sperimentato il trauma. I modelli animali per la comprensione della neurobiologia del PTSD dovrebbero svelare meccanismi cellulari e molecolari associati a questo disturbo e, di conseguenza, rivelare nuovi target per lo sviluppo di farmaci all’avanguardia. Nonostante l’incessante progresso nello sviluppo di tecnologie non invasive con la finalità di studiare la struttura e la funzione del cervello umano, persistono ancora limiti significativi. Le somiglianze anatomiche e fisiologiche tra l'uomo e gli altri mammiferi, in particolare i roditori, hanno spinto i ricercatori di tutto il mondo a studiare una vasta gamma di meccanismi neurofisiologici, al fine di valutare nuove molecole farmacologicamente attive che possano essere utili nei trattamenti di diverse patologie umane. A tal proposito, i modelli animali per la ricerca traslazionale nell’ambito delle patologie associate allo stress e al trauma, dovrebbero tenere conto di alcune caratteristiche fondamentali, tra cui la persistenza del fenotipo comportamentale, i fenomeni di suscettibilità e resilienza al trauma e la validità predittiva. In questo studio proponiamo un nuovo modello animale in topi del ceppo inbred C57BL/6J che esibivano diversi sintomi del fenotipo PTSD. Il modello AIS (arousal-based individual screening model) è stato progettato accoppiando il trauma, (immobilizzazione per 24 ore), a cui sono stati sottoposti gli animali, ad uno screening individuale basato sulla valutazione di diversi parametri comportamentali. Attraverso un modello matematico di Z- normalization sono state valutate le alterazioni post-trauma nella startle-response. L’analisi di tale risposta trova una vasta applicazione nell’ambito delle neuroscienze, in quanto la misura dell’arousal dipende da circuiti neurali presenti in tutti i mammiferi. Attraverso il modello AIS, abbiamo identificato topi suscettibili al trauma che mostravano hyperarousal di lunga durata (fino a 56 giorni post-trauma), e topi resilienti che mostravano normal-arousal. Gli animali suscettibili mostravano, inoltre, un fenotipo persistente simile a quello osservato in pazienti con PTSD, tra cui una reattività esagerata alla paura, un aumento dell’avoidance like-behavior (fino al 75 giorni post-trauma), disfunzioni cognitivo- comportamentali. Al contrario, i topi resilienti adottavano strategie di coping attivo, quasi come i topi controllo. La vera comprensione della neurobiologia del PTSD implica la conoscenza dei meccanismi di suscettibilità e resilienza. Un background genetico non è sufficiente per spiegare le differenze individuali nella suscettibilità allo stress e al trauma, poiché le diversità biologiche individuali sono state riscontrate anche all'interno di popolazioni geneticamente omogenee, come i topi inbred. Le esperienze di vita interagiscono con il background genetico producendo alterazioni di lunga durata nelle capacità di coping. Per tale motivo, abbiamo valutato l'espressione di specifici geni associati al PTSD e di particolari miRNAs che avessero come target i geni considerati, in diverse aree del cervello. La nostra analisi bioinformatica suggeriva quattro potenziali miRNAs (mir-15a-5p, mir-497a-5p, mir-511-5p, let-7d-5p) per due geni chiave: BDNF e FKBP5. L' espressione osservata dei geni target e dei miRNAs mostrava alterazioni area specifica. Tali variazioni sono state associate al fenotipo suscettibile e resiliente dei topi sottoposti al trauma severo di immobilizzazione, e linearmente correlati con i singoli score comportamentali (arousal score, avoidance score, social memory score e PTSD-like score). Questi dati, contribuiscono a comprendere il ruolo di specifici miRNAs nel modello AIS. Tale osservazione potrebbe essere utile nell’identificazione di nuovi biomarkers di resilienza o vulnerabilità allo stress che, potrebbe fornire informazioni preziose per la prevenzione e il trattamento dei disturbi psichiatrici legati allo stress.