Role of nitric oxide and endocannabinoids in synaptic plasticity in the perirhinal cortex and in visual recognition memory

Introduction and aims of the research Nitric oxide (NO) and endocannabinoids (eCBs) are major retrograde messengers, involved in synaptic plasticity (long-term potentiation, LTP, and long-term depression, LTD) in many brain areas (including hippocampus and neocortex), as well as in learning and memory processes. NO is synthesized by NO synthase (NOS) in response to increased cytosolic Ca2+ and mainly exerts its functions through soluble guanylate cyclase (sGC) and cGMP production. The main target of cGMP is the cGMP-dependent protein kinase (PKG). Activity-dependent release of eCBs in the CNS leads to the activation of the Gαi/o-coupled cannabinoid receptor 1 (CB1) at both glutamatergic and inhibitory synapses. The perirhinal cortex (Prh) is a multimodal associative cortex of the temporal lobe, critically involved in visual recognition memory. LTD is proposed to be the cellular correlate underlying this form of memory. Cholinergic neurotransmission has been shown to play a critical role in both visual recognition memory and LTD in Prh. Moreover, visual recognition memory is one of the main cognitive functions impaired in the early stages of Alzheimer’s disease. The main aim of my research was to investigate the role of NO and ECBs in synaptic plasticity in rat Prh and in visual recognition memory. Part of this research was dedicated to the study of synaptic transmission and plasticity in a murine model (Tg2576) of Alzheimer’s disease. Methods Field potential recordings. Extracellular field potential recordings were carried out in horizontal Prh slices from Sprague-Dawley or Dark Agouti juvenile (p21-35) rats. LTD was induced with a single train of 3000 pulses delivered at 5 Hz (10 min), or via bath application of carbachol (Cch; 50 μM) for 10 min. LTP was induced by theta-burst stimulation (TBS). In addition, input/output curves and 5Hz-LTD were carried out in Prh slices from 3 month-old Tg2576 mice and littermate controls. Behavioural experiments. The spontaneous novel object exploration task was performed in intra-Prh bilaterally cannulated adult Dark Agouti rats. Drugs or vehicle (saline) were directly infused into the Prh 15 min before training to verify the role of nNOS and CB1 in visual recognition memory acquisition. Object recognition memory was tested at 20 min and 24h after the end of the training phase. Results Electrophysiological experiments in Prh slices from juvenile rats showed that 5Hz-LTD is due to the activation of the NOS/sGC/PKG pathway, whereas Cch-LTD relies on NOS/sGC but not PKG activation. By contrast, NO does not appear to be involved in LTP in this preparation. Furthermore, I found that eCBs are involved in LTP induction, but not in basal synaptic transmission, 5Hz-LTD and Cch-LTD. Behavioural experiments demonstrated that the blockade of nNOS impairs rat visual recognition memory tested at 24 hours, but not at 20 min; however, the blockade of CB1 did not affect visual recognition memory acquisition tested at both time points specified. In three month-old Tg2576 mice, deficits in basal synaptic transmission and 5Hz-LTD were observed compared to littermate controls. Conclusions The results obtained in Prh slices from juvenile rats indicate that NO and CB1 play a role in the induction of LTD and LTP, respectively. These results are confirmed by the observation that nNOS, but not CB1, is involved in visual recognition memory acquisition. The preliminary results obtained in the murine model of Alzheimer’s disease indicate that deficits in synaptic transmission and plasticity occur very early in Prh; further investigations are required to characterize the molecular mechanisms underlying these deficits.

Analisi proteomica dei meccanismi sottesi alla malatia da reflusso gastroesofageo

La malattia da reflusso gastroesofageo (GERD) si divide in due categorie: malattia non erosiva (NERD) ed erosiva (ERD). Questi due fenotipi di GERD mostrano caratteristiche patofisiologiche e cliniche differenti. NERD è la forma più comune. Anche se ERD e NERD sono difficili da distinguere a livello clinico, la forma NERD possiede caratteristiche fisiologiche, patofisiologiche, anatomiche, e istologiche uniche. La replicazione cellulare dello strato basale si pensa sia una delle cause implicate nella resistenza della mucosa e nella difesa strutturale dell’epitelio. Diversi studi hanno dimostrato che la proliferazione cellulare è ridotta nella mucosa esofagea esposta ad insulti acidi e peptici cronici, in pazienti GERD, in più uno studio recente ha dimostrato che il recettore per i cannabinoidi CB1 era implicato nella riparazione delle ferite nella mucosa del colon. Sulla base di questi dati abbiamo valutato la presenza del recettore CB1 in biopsie della mucosa esofagea, di pazienti ERD, NERD e di controlli sani, tramite analisi Western Blot, Immunoistochimica e Real-Time PCR, dimostrando per la prima volta la presenza di questo recettore nell’epitelio dell’esofago e una riduzione dei suoi livelli di espressione nei pazienti ERD, camparati con i NERD e con i controlli sani. Successivamente, per chiarire meglio i meccanismi molecolari che caratterizzano ERD e NERD, abbiamo effettuato un analisi proteomica con la tecnica shotgun, la quale ha evidenziato un patter proteico di 33 proteine differenzialmente espresse in pazienti NERD vs ERD, sette delle quali confermate in wester Blot, e quattro in immunoistochimica. Concludendo i nostri risultati hanno confermato che ERD e NERD sono due entità distinte a livello proteico, e hanno proposto dei candidati biomarker per la diagnosi differenziale di ERD e NERD.

La ricerca traslazionale in farmacologia gastroenterologica

Il presente studio si concentra sull’analisi degli aspetti traslazionali nella ricerca farmacologica applicata alla Gastroenterologia. La trattazione si articola in due parti: una prima elaborazione teorica, che permette di inquadrare nel contesto della ricerca traslazionale il razionale scientifico ed etico alla base delle attività sperimentali eseguite durante il triennio; una seconda parte, nella quale si riportano i metodi, i risultati e le osservazioni conclusive derivanti dallo studio sperimentale. Nella prima parte vengono analizzate alcune caratteristiche delle procedure, adottate nella ricerca in ambito farmacologico gastrointestinale, che permettono di ottenere un dato verosimile derivabile da modelli diversi rispetto all’organismo umano. Sono inclusi nella trattazione gli aspetti etici dell’utilizzo di alcuni modelli animali di patologie intestinali organiche e funzionali in relazione al loro grado di predittività rispetto alla realtà sperimentale clinica. Nella seconda parte della trattazione, viene presentato uno studio esplorativo tissutale multicentrico sul ruolo del sistema oppioide e cannabinoide nella sindrome dell’intestino irritabile (IBS). Obiettivo dello studio è la valutazione dell’espressione e la localizzazione del recettore oppioide µ (µOR), del suo ligando β endorfina (β-END) e del recettore cannabinoide 2 (CB2) nei pazienti con IBS ad alvo costipato (IBS-C) e diarroico (IBS-D), ed in soggetti sani (HC). I dati ottenuti indicano un’implicazione del sistema oppioide e cannabinoide nella risposta immune alterata riscontrata nei pazienti con IBS ed in particolare nel sottogruppo IBS-C. La presente trattazione suggerisce come la creazione di nuovi sistemi di indagine sempre più validi da un punto di vista traslazionale possa dipendere, almeno in parte, dalla capacità di integrare realtà disciplinari, tecnologie ed esperienze metodologiche diverse nel contesto della ricerca in campo biomedico e farmacologico ed in particolare tramite un mutuo scambio di informazioni tra realtà clinica e ricerca di base