Caratterizzazione di un nuovo modello animale di patologia da accumulo lisosomiale: Gangliosidosi in una famiglia di cinghiali

Abstract

Le patologie da accumulo lisosomiale (LSDs) sono un gruppo eterogeneo di rare, progressive, letali, multisistemiche patologie con un meccanismo ereditario autosomico recessivo. Le LSDs sono caratterizzate da una funzionalità deficitaria di enzimi lisosomiali specifici, causata da difetti genetici. A partire dalla via di degradazione lisosomiale strettamente sequenziale degli sfingolipidi, sono stati descritti difetti per quasi tutti i passaggi della loro degradazione; ciò determina un blocco metabolico e un accumulo di substrati corrispondenti non degradati. Queste patologie possono essere classificate secondo il difetto genetico, l’enzima deficitario o i prodotti accumulati. I gangliosidi sono uno dei maggiori componenti delle membrane neuronali e partecipano a processi cruciali per il sistema nervoso. Difetti genetici nel catabolismo dei gangliosidi ed il loro accumulo determinano una LSD neuronale, definita Gangliosidosi. Questa patologia può essere sottoclassificata in Gangliosidosi GM1, causata da una deficienza di β-galattosidasi con accumulo di ganglioside GM1, o Gangliosidosi GM2, causata da deficienza di β-esosaminidasi o proteina attivatrice GM2 con accumulo di ganglioside GM2. Poiché la patologia nell’uomo è relativamente rara, i modelli animali sono strumenti indispensabili per studi sulla patogenesi e per lo sviluppo di potenziali trattamenti. Lo scopo del progetto è di studiare le caratteristiche morfologiche e biochimiche di un caso di Gangliosidosi GM2 in tre cinghiali della stessa nidiata. I tre cinghiali, appartenenti ad un allevamento brado, hanno presentato sintomatologia neurologica (dismetria, atassia, quadriplegia e decubito laterale) a 6 mesi di età. Sono state eseguite analisi virologiche e batteriologiche, risultate negative per culture batteriche, Peste suina classica e Aujeszky; sono state inoltre escluse tossicosi indotte da piante e farmaci. A causa del peggioramento delle condizioni cliniche, i cinghiali sono stati sacrificati a circa un anno di età e sottoposti a indagini necroscopiche. Lesioni macroscopiche, comuni in tutti gli animali affetti, erano riduzione della consistenza del parenchima cerebrale e cerebellare, degenerazione epatica diffusa e dilatazione gastrointestinale. L’esame istologico ha rilevato nel cervello, cervelletto, midollo spinale, gangli periferici e retina, la presenza di neuroni aumentati di dimensioni, con citoplasma diffusamente e severamente vacuolizzato. Altre lesioni neuropatologiche includevano sferoidi, meganeuriti e microgliosi. I fenomeni di astrocitosi sono stati confermati con colorazioni immunoistochimiche per GFAP e vimentina; mentre la colorazione Luxol fast blu ha mostrato diffusi quadri di demielinizzazione. La microscopia elettronica ha evidenziato nel citoplasma dei neuroni la presenza di numerosi lisosomi, disposti singolarmente o in aggregati, ripieni di materiale membranoso organizzato in lamelle o vortici (corpi citoplasmatici membranosi). Studi biochimici hanno rivelato la presenza a livello cerebrale di un’elevata quantità di ganglioside GM2, confermando la diagnosi di Gangliosidosi GM2. Questa patologia fu descritta nel suino solamente nel 1978 nella razza Yorkshire (Sus scrofa domestica) e non è mai stata descritta in cinghiali selvatici (Sus scrofa). Questa forma di Gangliosidosi GM2, evidenziata per la prima volta in una nidiata di cinghiali, appare molto simile alla patologia riscontrata nell’uomo e può rappresentare un utile modello animale.

Lysosomal storage diseases (LSDs) are heterogeneous group of rare, progressive, lethal, multisystemic diseases with autosomal recessive inheritance. LSDs are characterized by deficient function of specific lysosomal enzymes, due to a genetic defect. According to the strictly sequential lysosomal degradation pathway of glycosphingolipids, defects for almost every step in their degradation have been described; this lead to a block of degradation and accumulation of the corresponding undegraded substrates. These pathologies can be classified on the base of the underlying genetical defect, the affected enzyme or according to the accumulated products. Gangliosides are major components of neuronal membranes and participate in crucial processes of the nervous system. Genetic defects in catabolism of these glycosphingolipids and their accumulation cause a neuronal LSD, defined Gangliosidosis. These pathologies can be subclassified into GM1 gangliosidosis, caused by β-galactosidase deficiency with GM1 ganglioside accumulation, or GM2 gangliosidosis, caused by β-hexosaminidase or GM2 activator protein deficiency with GM2 ganglioside accumulation. Since the human diseases are relatively rare, animal models are indispensable tools for further study of pathogenesis and for development of potential treatments. The aim of the project is to study morphological and biochemical features of GM2 gangliosidosis in 3 wild boars of the same brood. Three littermate (3/3) wild boards, from a free ranging farm, presented neurological signs (dysmetria, ataxia, quadriplegia and lateral decubitus) at 6 months of age. Viral and bacterial analysis were performed and resulted negative for bacteria culture, Classical Swine Fever and Aujeszky; plants and drugs toxicosis were excluded. Due to the worsening conditions, they were euthanized at approximately one year of age and submitted for necropsy. Gross lesions, common in all affected animals, were reduction in consistency of cerebral and cerebellar parenchyma, diffuse hepatic degeneration and gastrointestinal dilation. Histology revealed in brain, cerebellum, spinal cord, peripheral ganglia and retina, enlarged foamy neurons, with diffusely severely vacuolated cytoplasm. Other neuropathological findings included spheroids, meganeurites and microgliosis. Astrocytosis was confirmed with Immunohistochemistry for GFAP and Vimentin; demyelination was evident with Luxol fast blue stain. Electron Microscopy analysis of neurons revealed that cytoplasm was enlarged by the presence of numerous lysosomes, singularly disposed or in aggregates, filled by membranous material arranged in lamellae and whorls (membranous cytoplasmic bodies). Biochemical studies revealed the presence of an elevate amount of GM2 ganglioside, confirming the diagnosis of GM2 gangliosidosis. GM2 gangliosidosis in swine has been described only in 1978 in purebred Yorkshire swine (Sus scrofa domestica) and has never been described in wild boars (Sus scrofa). This form of GM2 gangliosidosis in a family of wild boars is very similar to human disease and can be a potential useful animal model.