Targeting adenosine A2A receptors to manage Angelman syndrome symptoms

Abstract

A síndrome de Angelman (SA) é um distúrbio neuro-genético raro caracterizado por atrasos no desenvolvimento cognitivo, défices motores (ataxia e movimentos desconexos), crises epiléticas e um comportamento peculiar, com os pacientes a manifestar um sorriso fácil e frequente. Esta patologia está associada a uma variedade de mecanismos genéticos e epigenéticos que envolvem a região cromossómica 15q11.2-q13, os quais resultam na perda de função da proteína Ube3A nos neurónios – codificada pelo gene UBE3A, que possui um padrão de imprinting materno. Atualmente, não existe cura para a síndrome de Angelman e as opções terapêuticas com vista ao alívio de sintomas são limitadas. De facto, infelizmente, os traços típicos da patologia tendem a persistir ao longo da vida do doente.Vários estudos científicos relatam que o bloqueio farmacológico dos recetores A2A para a adenosina (A2AR) é capaz de exercer um papel neuroprotector em modelos animais de outras doenças neurológicas com traços fenotípicos semelhantes (Parkinson, Huntington, Alzheimer ou Machado-Joseph, por exemplo), contribuindo para o alívio tanto dos défices motores como cognitivos. Do mesmo modo, diversos artigos apontam para um papel proeminente dos A2AR na modulação da plasticidade sináptica. Assim, este conhecimento prévio levou-nos a especular que o reposicionamento deste tipo de estratégia poderia também ser útil na atenuação dos problemas de desenvolvimento intelectual e motor, bem como nos défices sinápticos, descritos no modelo de murganho de SA. Caso a nossa hipótese se venha a mostrar válida, poderá ter futuras implicações clínicas para o controlo e gerenciamento dos sintomas.Os objetivos deste estudo foram os seguintes: (i) avaliar se o antagonista seletivo dos A2AR, o SCH58261, é capaz de recuperar os défices motores e de coordenação bem como as perturbações de memória a longo prazo encontradas no modelo de murganho de SA; (ii) examinar o impacto de uma administração aguda e crónica de SCH58261 nos processos de plasticidade sináptica no hipocampo de animais SA; (iii) aferir possíveis alterações nos níveis de densidade de proteínas sinápticas relevantes para o entendimento da patologia. Assim, com vista a concretizá-los, realizamos experiências em murganhos controlo e Ube3Am-/p+ num background C57BL/6. Os animais foram injetados diariamente via intraperitoneal com o antagonista SCH58261 por um período de 21 dias; posteriormente, foram sujeitos a uma avaliação comportamental minuciosa a fim de perceber se o bloqueio dos A2AR é realmente capaz de reverter o fenótipo saliente dos animais. Adicionalmente, também avaliamos a transmissão sináptica basal e os processos de plasticidade a longo prazo (nomeadamente, potenciação e depressão de longa duração) em fatias de hipocampo de animais controlo e SA, bem como o efeito do tratamento com SCH58261 nos registos eletrofisiológicos. Por último, procuramos ainda por quaisquer sinais de alterações sinápticas nos murganhos Ube3Am-/p+, através de uma análise por Western Blot de frações enriquecidas em sinaptosomas de diversas regiões cerebrais. Os resultados obtidos demonstraram que o bloqueio dos A2AR consegue melhorar a aprendizagem motora nos murganhos Ube3Am-/p+ no protocolo de rotarod, bem como resgatar défices na força de preensão no teste do grasping. Além do mais, as perturbações de memória a longo prazo identificadas no protocolo de Morris water maze também parecem ser atenuadas após o tratamento. O mesmo efeito benéfico foi observado nos registos eletrofisiológicos efetuados na região CA1 do hipocampo dos animais Ube3Am-/p+, com o antagonista a contribuir para a recuperação da magnitude da depressão de longa duração, que se encontra diminuída neste modelo. De facto, os nossos resultados revelam que tanto uma incubação aguda com SCH58261 na fatia como uma administração crónica nos animais via injeção intraperitoneal, parecem ser vantajosas na prevenção dos danos nos processos de plasticidade sináptica encontrados no circuito hipocampal dos murganhos SA. Relativamente aos estudos neuroquímicos, os animais SA revelaram um desequilíbrio notório quer nos marcadores de sistemas de transmissão excitatórios quer inibitórios no cerebelo e no estriado, bem como no sistema dopaminérgico no estriado e nos marcadores sinápticos gerais no córtex pré-frontal. Assim, é possível que estes défices sinápticos estejam, de alguma forma, a contribuir para as perturbações motoras identificadas neste modelo. Em suma, o nosso trabalho apresenta fortes evidências que uma estratégia terapêutica baseada no bloqueio dos A2AR pode ser potencialmente benéfica na modulação dos traços fenotípicos distintos do modelo de murganho Ube3Am-/p+, que se assemelham aos sintomas do quadro clínico da síndrome. Além do mais, os resultados obtidos também contribuem para um maior conhecimento acerca dos mecanismos sinápticos que podem estar por detrás da sintomatologia associada à patologia.

Angelman syndrome (AS) is a rare neurogenetic disorder whose main features comprise marked intellectual delay, motor impairments such as ataxia and wide-based gait, epileptiform EEG abnormalities and a very singular behavioural profile. This condition is associated with a handful of genetic and epigenetic mechanisms involving the chromosome region 15q11.2-q13, that ultimately result in a loss of function of the neuronal Ube3A protein, which is maternally imprinted in the brain by the UBE3A gene. Until date, AS therapeutics has met with limited success, with the clinical traits that deeply impair the life-quality of the children persisting throughout adulthood.Several lines of evidence state that pharmacological blockade of adenosine A2A receptors (A2AR) can afford a neuroprotective role in mouse models of other brain diseases with similar phenotypical traits (e.g., Parkinson, Huntington, Alzheimer or Machado-Joseph disease), being helpful in counteracting both locomotor deficits as well as memory impairments. Moreover, there are also diverse reports which claim that A2AR-mediated signalling has a prominent role in modulating synaptic plasticity processes. Thus, we hypothesized that the use of this type of strategy could also ameliorate the cognitive and motor disablements as well as synaptic plasticity impairments found in the AS mouse model, with prospective future implications for the clinical management of the disease.Hence, we had the following aims: (i) evaluate whether the A2AR antagonist SCH58261 is able to recover the motor and coordination as well as the spatial and associative memory deficits found in the AS mouse model; (ii) check the impact of SCH58261 acute and chronic administration on hippocampal synaptic plasticity processes; (iii) appraise for changes in synaptic protein density levels which may bring to light the underlying causes of the pathology. To fulfil our goals, experiments were conducted in both wild-type and Ube3Am-/p+ animals with a C57BL/6 background. Mice were administered daily with the selective antagonist SCH58261 for a 21-days period and subjected to a thorough behavioural characterization in order to evaluate whether A2AR blockade is indeed able to revert the pronounced behavioural phenotype. Moreover, we also appraised basal synaptic transmission as well as long-lasting synaptic plasticity processes (namely long-term potentiation and long-term depression) in hippocampal slices of both wild-type and AS mice and check the impact of both an acute and chronic administration of SCH58261 through electrophysiological recordings. Finally, we assessed if there were any signs of synaptic alterations in the Ube3Am-/p+ mouse model by Western Blot analysis of synaptosomal fractions from several brain regions.Obtained results show that A2AR blockade is able to ameliorate the motor learning phenotype of Ube3Am-/p+ mice in the rotarod task as well as rescue their grip strength impairment in a grasping protocol. Furthermore, our chronic treatment also seems to slightly improve the reported long-term memory disturbances in a Morris water maze protocol. In addition, SCH58261 also seems to be helpful in recovering the diminished long-term depression magnitude in hippocampal slices from Ube3Am-/p+ mice, as shown by the electrophysiological recordings we carried in the Schaffer Collaterals – CA1 pathway. Indeed, our data shows that both an acute – through direct application in the slice – and chronic – via intraperitoneal injection – SCH58261 treatment seem to be helpful in counteracting the marked plasticity impairments found in the hippocampal circuitry of AS mice. In what concerns our neurochemical results, AS mice present a noticeable unbalance of markers for both excitatory and inhibitory neurotransmission in both the cerebellum and striatum as well as for dopaminergic systems in the striatum and general synaptic markers in the prefrontal cortex. Ergo, it is possible that the aforementioned synaptic deficits somehow afford the motor impairments spotted in animals. Altogether, our findings seem to support the idea that an A2AR-signalling based therapeutic strategy might be useful and of potential value to manage the distinctive behavioural traits found in the Ube3A-maternal deficient mouse model, which closely mimic some of the hallmarks of AS. Additionally, the data obtained from this experimental work also contributes to a greater knowledge of the underlying neuronal and synaptic mechanisms which may account for AS symptomology.