Alla Duke University è stato scoperto che alcuni geni responsabili della sindrome di Klippel-Feil sono probabilmente implicati nella Malformazione di Chiari 1

Sulla rivista “Plos One” è appena stato pubblicato un lavoro che suggerisce che alcuni geni implicati della Malformazione di Chiari 1 / Siringomielia potrebbero essere gli stessi responsabili di un’altra sindrome ereditaria, la sindrome di Klippel-Feil (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3631233/).

Pubblichiamo una sintesi dell’articolo a cura di Silvia Orisio.

Malformazione di Chiari tipo 1 (CM1) e Siringomielia (SM): cosa sono?

La Malformazione di Chiari1 (CM1) è localizzata in una regione di passaggio tra il cervello e il midollo spinale. In questa malattia una porzione di cervelletto si trovano in una posizione più bassa del normale. Spesso una parte del cervelletto chiamata “tonsille cerebellari” fuoriescono dalla base del cranio dentro il canale spinale. La discesa delle tonsille cerebellari nello spazio occupato dal midollo spinale provoca un aumento di pressione nella scatola cranica, contribuendo ai sintomi descritti dai pazienti.

Vi sono molti sintomi associati a CM1, che possono comprendere la cefalea, specialmente alla base del cranio, capogiri, visione doppia, debolezza delle braccia e/o difficoltà a camminare. Quando i sintomi sono presenti, spesso sono vaghi o non specifici. Di conseguenza la diagnosi di CM1 spesso avviene in ritardo e solo quando si presentano sintomi più severi oppure dopo che i sintomi più leggeri persistono nel tempo.

La Siringomielia (SM) è una condizione caratterizzata da una cisti piena di liquido nel midollo spinale. In alcuni casi la SM si sviluppa dopo un trauma. Sono descritti, tuttavia, casi di SM diagnosticati alla nascita. Spesso individui con CM1 hanno anche la diagnosi di SM.

Molti sono i meccanismi che sono ipotizzati essere responsabili della discesa delle tonsille cerebellari, tra cui la costrizione cranica da ridotta dimensione della fossa cranica posteriore (il Chiari 1 “classico”), l’instabilità craniocervicale, l’ancoraggio del filum terminale, l’ipertensione intracranica e l’ipotensione spinale. Inoltre vi sono sempre maggiori evidenze che alterazioni del tessuto connettivo (CTD= connective tissue disorders) si associano ad alcuni casi di Chiari. I pazienti con Chiari 1 che hanno anche una diagnosi di CTD potrebbero rappresentare una classe a se di pazienti caratterizzati da volumi normali di osso occipitale e fossa cranica posteriore ma con instabilità della giunzione atlanto-occipitale (cranial settling: scivolamento cranico).

La ricerca del centro di genetica umana (CHG) presso la Duke University su Chiari e Siringomielia

Il centro di genetica umana della Duke University (North Carolina) sta studiando da anni le basi ereditarie della Malformazione di Chiari di tipo 1, con o senza Siringomielia. Lo scopo della ricerca è quello di capire se CM1/SM sono effettivamente causate da fattori ereditari e, se così, quali geni sono coinvolti. Questa ricerca, oltre a comprendere le basi genetiche della malattia, potrebbe in seguito aiutare a chiarire in maggiore dettaglio i meccanismi che causano la Malformazione di Chiari e la Siringomielia, con l’obiettivo ultimo di effettuare una diagnosi accurata ed aumentare l’efficacia dei trattamenti che potrebbero essere diversificati a seconda del gene, e quindi del meccanismo patogenetico coinvolto.

La presenza di più pazienti con CM1/ SM all’interno di una stessa famiglia ha fatto ipotizzare da tempo che nella CM1/SM vi sia una componente genetica: inoltre lo studio dei gemelli identici (geneticamente uguali) ha dimostrato che se uno dei gemelli ha una diagnosi di CM1/S, molto spesso anche l’altro fratello è affetto dalla stessa patologia, mentre ciò non vale per i gemelli non identici. Infine, CM1/SM si presenta spesso in associazione con altre sindromi genetiche, o con condizioni che comunemente fanno parte di una sindrome genetica, ad es. la sindrome di Elhers-Danlos, la sindrome di Marfan, la sindrome di Klippel-Feil, la deficienza di ormone della crescita, le craniosinostosi e la Neurofibromatosi di tipo I. Nonostante queste evidenze gli studi sulla genetica di CM1/SM sono stati limitati, a causa della bassa frequenza di questa condizione e dell’ancora più rara proporzione di casi familiari.

Cosa era stato già fatto dai ricercatori della Duke University

Presso la Duke University a partire dal 1990 la Dr.ssa Speer ha iniziato a raccogliere una bio banca di campioni di famiglie con CM1. Questo lavoro preliminare ha portato, nel 2006, alla pubblicazione del primo lavoro sulla genetica del Chiari/ Siringomielia. In questo studio, che ha studiato 67 pazienti appartenenti a 23 famiglie con la tecnica del linkage (studio di associazione genetica), si sono identificate sui cromosomi 9 e 15 due regioni probabilmente associate a CM/SM.

Uno dei principali problemi nello studio della genetica del Chiari è dato dalla ampia variabilità di sintomi, età di insorgenza, entità di erniazione delle tonsille cerebellari, risposta alla chirurgia. Si pensa infatti che la Malformazione di Chiari sia influenzata da molti fattori, sia genetici che ambientali, che sono responsabili della varietà dei sintomi clinici. Gli studi genetici devono tenere conto questa eterogeneità nel catalogare e reclutare le famiglie che entrano a fare parte degli studi genetici.

Una strategia è quella di raggruppare le famiglie sulla base di caratteristiche cliniche simili, in modo tale da avere gruppi il più possibile omogenei anche dal punto di vista genetico. Questo lavoro richiede tuttavia la disponibilità di un numero di famiglie, e di pazienti, molto elevato, e tale da poter essere suddiviso in più gruppi a seconda delle caratteristiche cliniche.

Cosa è stato fatto dal 2006 ad oggi

I ricercatori della Duke sotto la guida dei dottori Allison Ashley-koch e Simon Gregory hanno continuato a reclutare pazienti appartenenti a famiglie con almeno due casi di malattia, ed hanno raccolto una notevole casistica. Inoltre, dal 2006 ad oggi la tecnologia in campo genetico si è sviluppata velocemente ed analisi un tempo impensabili per tempo e costi ora sono fattibili velocemente e con una spesa affrontabile dai centri di ricerca.

Le collaborazioni nella ricerca dei geni di CM/SM si sono estese a tutti gli Stati Uniti e sempre più pazienti hanno dato la propria adesione a partecipare agli studi. Per il lavoro appena pubblicato sulla rivista Plos One gli scienziati hanno identificato 66 famiglie con CM/SM non associata ad altre sindromi (es. spina bifida, neurofibromatosi 1) per un totale di 367 individui (metà ammalati e metà circa familiari sani). Le famiglia così reclutate sono state suddivise in due gruppi, caratterizzati dalla presenza o assenza di disordini del tessuto connettivo (CTD).

Inoltre anche la metodologia di analisi genetica è migliorata attraverso tecniche più accurate. Grazie ai miglioramenti tecnologici i ricercatori sono stati in grado di compiere uno studio di associazione su tutto il genoma (GWAS = genome-wide association study). Questa ricerca ha esaminato oltre 600.000 variazioni del DNA, chiamate Polimorfismi a Singola Base (Single Nucleotide Polymorphism = SNP) distribuiti su tutti i cromosomi.

Da notare che lo studio pubblicato nel 2006 aveva analizzato solo 10.000 SNP per 60 individui.

Come viene fatto uno studio di GWAS?

Per dare un’idea di come lo studio è stato condotto bisogna riprendere una analogia proposta dai ricercatori della Duke University.

Immaginiamo il genoma umano, che comprende circa 22.000 geni, come un paese grande e popoloso come gli Stati Uniti d’America, dove ogni stato è un cromosoma e dove un gene ha le dimensioni di una strada in uno dei tanti quartieri che compongono questo paese: non sappiamo dove si trovi la strada/gene della CM/SM, neppure in quale città o stato, ed è molto complicato analizzare tutte le strade una per una.

Immaginiamo che ciascuno dei 600.000 SNP sia una casa: i ricercatori analizzano una o due case/SNP per ogni quartiere o strada: quando trovato un risultato interessante, cioè un risultato statisticamente significativo, che associa la malattia con un dato SNP, in una o più case, possono immaginare che in quel quartiere ci possa essere la strada/gene responsabile della Malformazione di Chiari/Siringomielia e focalizzano poi le indagini nei dettagli sulla strada o quartiere che ha dato il risultato positivo.

In una fase iniziale tutte e 66 le famiglie sono state studiate insieme: per ciascun individuo sono stati analizzati i circa 600.000 SNP ma i programmi di analisi hanno dato risultati deboli e discordanti, probabilmente a causa della presenza nel gruppo “in toto” di pazienti con caratteristiche cliniche molto diverse tra loro.

I ricercatori hanno dunque provato a dividere il gruppo in due sottogruppi caratterizzati dalla presenza o assenza di disordini del tessuto connettivo, in questo modo hanno ottenuto gruppi di studio più piccoli ma più omogenei tra loro. Questa suddivisione viene chiamata “stratificazione”. I ricercatori hanno ripetuto le analisi GWAS in pazienti suddivisi per la caratteristica di possedere o meno anomalie lievi del tessuto connettivo ed hanno trovato, questa volta, un risultato promettente in alcune regioni cromosomiche.

Nel gruppo caratterizzato da disordini del tessuto connettivo hanno trovato risultati interessanti su regioni dei cromosomi 18, 1 e 7 e nel gruppo di Chiari “classico” (fossa posteriore piccola) hanno trovato risultati positivi in regioni dei cromosomi 8, 9 e 12 .

La regione identificata sul cromosoma 8 è tuttavia molto grande e comprende 49 geni: un intero grosso quartiere!. Uno di questi tuttavia era particolarmente interessante perché codifica per il gene GDF6 (Fattore 6 di differenziamento della crescita), che in precedenza era stato visto essere associato alla sindrome di Klippel-Feil (KFS), una sindrome ereditaria caratterizzata dalla fusione di due vertebre cervicali. Anche la regione sul cromosoma 12 è stata vista contenere un gene, il GDF3 (Fattore 3 di differenziamento della crescita), simile al GDF6 ed anche esso associato alla FKS.

I ricercatori hanno dunque iniziato la seconda fase della ricerca: l’analisi di tutto il quartiere/gene nelle vicinanze della casa/snp. quest’ultima metodologia di ricerca viene chiamata “mappatura genetica dettagliata o fine” .

Entrambi i geni GDF3 e GDF6 sono stati sequenziali nelle famiglia con Chiari “classico” per vedere se vi fossero mutazioni o varianti rare del DNA che potessero aumentare il rischio di malattia.

L’analisi del gene GDF6 ha rivelato una serie di varianti nuove o rare nella sequenza del DNA, alcune delle quali già note essere associati a KFS geni GDF6.

I geni GDf3 e GDF6 sono noti essere implicati nella sindrome di Klippel-Feil, che oltre alla fusione delle vertebre cervicali può anche presentarsi con una ampia varietà di sintomi, fra cui anomalie renali e cardiovascolari, ortopediche, problemi polmonari, sordità. Circa il 3-5% dei pazienti con Chiari ha una diagnosi di KFS.

Serve tuttavia ancora molto studio per comprendere in dettaglio come questi geni possono essere correlati all’insorgenza di Chiari1 e altro studio per completare il sequenziamento dei due geni che fin’ora si è limitato agli esoni, parti che codificano per le proteine. Restano da analizzare le regioni introni che potrebbero contenere segnali di regolazione dei geni stessi.

Altri geni identificati dalle analisi di GWAS come ad esempio quelli nella regione sul cromosoma 12, devono essere studiati ancora più in dettaglio, verosimilmente con l’uso di tecniche ancora più mirate come la “next generation sequencing”, cioè il sequenziamento completo delle regioni risultate positive in questo studio.

In conclusione i ricercatori della Duke hanno dimostrato che la stratificazione, cioè la suddivisione dei pazienti a seconda delle loro caratteristiche cliniche, è fondamentale nel comprendere le basi molecolari di una patologia come la Malformazione di Chiari, che risulta probabilmente dall’interazione di più geni in combinazione fra loro e con l’ambiente. Probabilmente i geni responsabili del Chiari con “costrizione cranica” (Chiari classico) sono diversi dai geni responsabili del Chiari con “scivolamento cranico” (cranial settling) e la suddivisione delle famiglie a seconda di categorie omogenee aiuta meglio a comprendere le basi genetiche della malattia.

Tuttavia la suddivisione di pazienti e/o famiglie in sottogruppi più piccoli ne riduce grandemente il potere statistico.

L’unica soluzione a questo è incrementare l’arruolamento di casi familiari, per potere avere gruppi omogenei ma comunque il più numerosi possibile. Questo potrebbe permettere di effettuare altre suddivisioni, per caratteristiche sempre più omogenee.

Cosa si intende fare per il futuro

Mentre questo lavoro era in via di ultimazione gli scienziati della Duke University hanno deciso che era necessario allargare il reclutamento delle famiglie con Chiari 1/ Siringomielia anche al di fuori dei confini degli Stati Uniti.

Grazie a un accordo fra Duke University, The Chiari Institute di New York e Centro Regionale Esperto Siringomielia e Sindrome di Chiari – CRESSC del CTO di Torino ha ora preso l’avvio ufficiale il progetto che prevede di aprire lo studio sulla genetica del Chiari anche ai pazienti italiani (v. comunicato).