Abstract:

Versione in italiano:

Le neurotossine botuliniche di tipo A1 (BoNT/A1) sono metalloproteasi batteriche che tagliano la proteina SNARE SNAP-25, responsabile della fusione delle vescicole sinaptiche con la membrana presinaptica per mediare il rilascio di neurotrasmettitori. In questo modo, BoNT/A1 blocca la neurotrasmissione alle terminazioni nervose colinergiche, principalmente alla giunzione neuromuscolare (NMJ), causando così una sindrome neuroparalitica flaccida nota come botulismo. Il taglio di SNAP-25 non causa la morte neuronale e i pazienti che sopravvivono al botulismo si riprendono completamente. L'azione di BoNT/A1 è infatti potente, specifica e duratura, ma reversibile. Queste caratteristiche spiegano il suo ampio e crescente utilizzo nella terapia umana per trattare condizioni neurologiche caratterizzate da iperattività neuronale. Si è a lungo supposto che l'azione terapeutica di BoNT/A1 rimanga confinata alle sinapsi periferiche raggiunte mediante iniezione locale. Tuttavia, evidenze suggeriscono che una frazione di BoNT/A1 subisca un trasporto assonico a lunga distanza e possa mediare un effetto diretto sui circuiti motori centrali, prolungando gli effetti della tossina alla NMJ.

Tuttavia, l'impatto dell'effetto centrale di BoNT/A1 sulla funzione neuromuscolare rimane sconosciuto. Abbiamo per primi riportato il taglio di SNAP-25 mediato da BoNT/A1 nei neuroni di secondo ordine del midollo spinale e del tronco encefalico, inclusi nei neuroni intercalari colinergici V0c, che agiscono come facilitatori dell'eccitabilità delle α-motoneuroni per indurre la contrazione muscolare. La nostra ipotesi centrale è che BoNT/A1, trasportata retrogradamente, blocchi l'attività dei neuroni V0c riducendo l'eccitabilità delle α-motoneuroni e che questa azione centrale, insieme alla paralisi della NMJ, causi poi un rimodellamento cerebrale nei neuroni corticali, estendendo così la durata dell'effetto terapeutico di BoNT/A1. Testiamo la nostra ipotesi perseguendo tre obiettivi specifici finalizzati a: determinare la dose-risposta, la durata e l'impatto funzionale del taglio di SNAP-25 nei neuroni V0c dopo iniezione periferica di BoNT/A1; esaminare l'impatto morfo-funzionale dell'azione di BoNT/A1 sul rimodellamento subcorticale e corticale nel cervello; aumentare il trasporto retrogrado di BoNT/A1 per massimizzare il risultato terapeutico.

Il nostro obiettivo è caratterizzare il contributo funzionale dell'azione centrale di BoNT/A1 rispetto al suo ben consolidato effetto periferico e usare queste informazioni per migliorare l'uso clinico della tossina e, possibilmente, proporre nuovi protocolli terapeutici per il trattamento di condizioni neurologiche che potrebbero beneficiare particolarmente di un aumentato effetto centrale di BoNT/A1.

Considerato il vasto utilizzo di BoNT/A1 in molte applicazioni cliniche, con milioni di persone iniettate ogni anno, ci aspettiamo che i risultati di questo progetto abbiano un importante impatto scientifico ed economico.

English version:

Botulinum neurotoxins type A1 (BoNT/A1) is a bacterial metalloprotease cleaving the SNARE protein SNAP-25 responsible for synaptic vesicles fusion with the presynaptic membrane to mediate neurotransmitter release. In doing so, BoNT/A1 blocks neurotransmission at cholinergic nerve terminals, mainly at the neuromuscular junction (NMJ), thus causing a flaccid neuroparalytic syndrome known as botulism. SNAP-25 cleavage does not cause neuronal death and patients who survive botulism fully recover. BoNT/A1 action is indeed potent, specific, and long-lasting, yet reversible. These features explain its wide and increasing use in human therapy for treating neurological conditions characterized by neuronal hyperactivity. It has long been assumed that BoNT/A1 therapeutic action remains confined to the peripheral synapses reached upon local injection. However, evidence suggests that a fraction of BoNT/A1 undergoes long-distance axonal transport and could mediate a direct effect on central motor circuits even outlasting toxin effects at the NMJ.
However, the impact of BoNT/A1 central effect on neuromuscular function remains unknown. We first reported the BoNT/A1-mediated cleavage of SNAP-25 in second-order neurons of the spinal cord and brainstem, including in the cholinergic V0c interneurons, which act as facilitators of α-motoneurons excitation to elicit muscle contraction. Our central hypothesis is that retrogradely transported BoNT/A1 blocks the activity of V0c interneurons reducing α-motoneurons
excitability, and that this central action, together with NMJ paralysis, then causes brain remodeling in cortical neurons, thus
extending the duration of BoNT/A1 therapeutic effect. We will test our hypothesis by pursuing three specific objectives aimed to: determine the dose-response, duration, and functional impact of SNAP-25 cleavage in V0c interneurons upon BoNT/A1 peripheral injection; examine the morpho-functional impact of BoNT/A1 action on subcortical and cortical reorganization in the brain; increase BoNT/A1 retrograde transport to maximize the therapeutic outcome.
Our goal is to characterize the functional contribution of BoNT/A1 central action over its well-established peripheral effect and to use this information to improve the clinical use of the toxin, and possibly to propose novel therapeutic protocols for the treatment of neurological conditions which could particularly benefit from an increased central BoNT/A action.
Given the wide use of BoNT/A1 in many clinical applications with millions of people injected each year, we expect that the results of this project will have an important scientific but also economic impact.

Contatti: ornella.rossetto@unipd.it