Ricercatori, Medici, Aziende
PROJECT
State of the art
The rates of autism has increased in the last decades reaching the prevalence of 1 in 59 children around the world (source: ADDM Network, www.cdc.gov/ncbddd/autism/addm.html ) with a strong sex bias (male:female=4:1). This pandemic is only partially attributable to extrinsic factors such as improved awareness and recognition and changes in clinical practice or service availability [1]. Thus, other environmental factors are likely at play to explain this pandemic. Based on the gene/environment interaction theory, several therapeutic approaches have been proposed with conflicting results [2][3][4] probably due to a multifactorial cause of autism and that autism is a final pathological destination that can be reached through different pathways. Therefore, it is imperative to understand the autism population based on the identification of specific biomarkers that can assist in personalizing interventions for the most effective therapeutic results. Tackling this major public health issue requires urgent action and the formation of interdisciplinary consortia in order to further our understanding of autism and its possible treatment of autism-related symptoms. Many individuals with autism suffer from associated co-morbidities, including seizures, sleep problems, metabolic conditions, and gastrointestinal (GI) disorders, which have significant health, developmental, social, and educational impacts. The neuroanatomical and biochemical characteristics that have been associated with autism pathogenesis [5][6][7] involve mechanisms that are direct consequences of the effects of low-grade, feverless, systemic inflammatory events [8][9] while the protective mechanisms against autism pathogenesis have strong anti- inflammatory components [10]. The gut microbiome drives immunoregulation (in particular during the 1000 days of life) and dysregulated immunoregulation [11] as well as inflammation predispose to autism, while psychological stress drives further inflammation via pathways that involve the gut microbiome [12][13]. Children with autism experience four times more GI symptoms than control groups and GI symptoms may identify a unique subgroup of children with autism [14]. Aberrant immune system activation and alterations in gut microbial composition that correlate with autism-related symptoms have also been suggested [15]. Finally, a link between gut microbiome and immune function in autism has been reported [16] as well as improvement of both GI and autism-related symptoms in autism subjects in which the gut dysbiosis was corrected by microbiota transfer therapy [17].
Objectives
The scope of this project is to use high quality microbiome, metabolome, and other -omics data produced by large-scale international initiatives to link microbiome composition and function with specific disease for personalized prediction, prevention, and treatment of disease. Unfortunately, current large-scale datasets in autism are mostly cross-sectional studies (cases vs controls) that do not allow the mechanistic link between microbiome composition/function with disease onset. Rather, prospective studies following infants who have a family history of autism from birth to identify potential biomarkers predictor of autism development followed by validation on large multi-omic datasets are necessary in order to achieve this goal. The 3 patient recruitment centres will allow a global sampling based on their geographical coverage (2 European centres (Ireland and Italy) and MGH, a United States of America (US) partner) and their broad network covering over 9,500 families with children with autism, which will facilitate the recruitment of ~600 infants that have a family history of autism (new-borns in families already with a child with autism). This is in line with the call’s recommendation to expand on current data in order to achieve the overall goal of this funding initiative. Therefore, the GEMMA consortia team has been designed with this approach in mind, in order to explore:
- The hypothesis that gut bacterial dysbiosis leads to epigenetic modifications, changes in metabolite profiles, increased gut permeability, increased macromolecules (food- and/or microbial-derived) trafficking and, ultimately, to altered immune responses to promote disease in a subset of individuals that have a family history of autism.
- The hypothesis that the genome/metagenome interplay is responsible for the switch from immune tolerance to immune response to environmental stimuli (antigens) including dietary and microbial factors leading to neuro-inflammation responsible of behavioral changes that characterize autism and gut inflammation causing its GI co-morbidities.
If proven correct, these hypotheses support the possibility that early identification and stratification of vulnerable patients through the exploitation of gut microbiome composition/function mechanistically associated with disease pathogenesis could translate in personalized targeted interventions prevent the onset of GI conditions and pave the way for earlier intervention for autism and treatment for autism-related symptoms.
Since microbiome changes have been associated to various human conditions including autism, this prospective cohort project (follow from birth a cohort who have a family history of autism (i.e. siblings of patients with autism) so that the composition and function of the microbiome can be compared in the same subject before and after the onset of the condition) will test for the first time, in human clinical studies, the causality in autism by alterations in gut microbiome composition and function mechanistically linked to the onset of the disease. The project will use a combination of patient cohorts, animal models and prospective patient samples to investigate whether specific patterns of gut dysbiosis influence epigenetic modification in the host, modifies metabolic pathways, altered gut permeability and immune response and, ultimately, trigger and/or increase the severity of autism-related symptoms and related GI comorbidities. Moreover, using specific to stratify patient populations for specific interventions, the project will attempt to validate the hypothesized mechanisms of ASD via the personalized correction of gut dysbiosis and the observation of whether changes in proposed condition-specific pathophysiology take place.
RISULTATI ATTESI
Terminate tutte le analisi i risultati sono preoccupanti: rivelano che la zonulina (un marker di maggiore permeabilità intestinale) sembra essere elevata, che le cellule immunitarie pro-infiammatorie sono state attivate e che il microbiota intestinale appare sbilanciato con basse quantità di F. prausnitzii e Enterobatteri relativamente alti. I risultati del metatranscrittoma eseguito sulle feci suggeriscono anche che i geni che controllano la produzione di lattato da parte dei lattobacilli sono stati poco espressi e l'analisi metabolomica conferma una riduzione del lattato nelle feci di Gemma e un aumento dei cresoli urinari. Sulla base dell'analisi del sequenziamento dell'intero genoma e dei cambiamenti epigenetici, è stato stabilito che i geni che controllano una risposta immunitaria sono stati attivati. In effetti, una scansione PET del cervello di Gemma mostra una neuroinfiammazione. Il medico si gira verso il suo computer ed esegue un'analisi del rischio utilizzando una serie di algoritmi di analisi multi-omica per la modellazione della malattia che rivelano che la combinazione di biomarcatori positivi, profilo immunitario, varianti geniche specifiche, microbioma intestinale e composizione del metaboloma porta un rischio di sviluppare ASD entro 9 mesi aumentato di 55 volte.
Prescrive la somministrazione del probiotico Lactobacillus GG (LGG) a 1010 CFU / giorno per tre mesi al fine di ristabilire la corretta composizione del microbioma e la produzione di lattato con l'obiettivo di prevenire l'insorgenza di ASD. I genitori sono sbalorditi dalle competenze scientifiche alla base di questo processo preventivo personalizzato e dicono al medico: «Quando abbiamo avuto il nostro primo figlio nel 2018, l'autismo non era curabile, e certamente era un disturbo che la medicina non avrebbe potuto prevenire. »Il dottore spiega:« La scienza medica ha fatto un grande balzo in avanti quando i ricercatori finanziati dal programma di ricerca europeo Horizon2020 hanno dimostrato il legame tra alcuni biomarcatori e colonie di microorganismi del tratto intestinale responsabili della neuroinfiammazione che potrebbe portare a disturbi autistici. Ciò ha portato a ripristinare l'equilibrio intestinale con probiotici personalizzati, un percorso efficace per prevenire l'autismo, e questa è stata finora la scoperta più importante nel campo dell'autismo. »Tre mesi dopo, Gemma è tornata nell'ambulatorio. Tutte le analisi delle feci e del sangue che rivelavano biomarcatori anomali sono tornate alla normalità e la scansione PET del cervello è ora normale. Gemma godrà di un'infanzia sana e non svilupperà autismo. Nel frattempo, al fratello di Gemma è stato anche offerto un nuovo trattamento che riduce il meccanismo di feedback della risposta immunitaria e alcuni biomarcatori specifici derivati dal microbiota, agendo attraverso l'attenuazione della famiglia di proteine del recettore Toll-like.
REFERENZE
- [1] Blumberg, S. J., Bramlett, M. D., Kogan, M. D., Schieve, L. A., Jones, J. R., & Lu, M. C. (2013). Changes in prevalence of parent-reported autism spectrum disorder in school-aged US children: 2007 to 2011– 2012. National health statistics reports, 65(20), 1-12.
- [2] Fletcher‐Watson, S., McConnell, F., Manola, E., & McConachie, H. (2014). Interventions based on the Theory of Mind cognitive model for autism spectrum disorder (ASD). The Cochrane Library.
- [3] Sukhodolsky, D. G., Bloch, M. H., Panza, K. E., & Reichow, B. (2013). Cognitive-behavioural therapy for anxiety in children with high-functioning autism: a meta-analysis. Pediatrics, 132(5), e1341-e1350
- [4] Millward, C., Ferriter, M., Calver, S., & Connell-Jones, G. (2008). Gluten-and casein-free diets for autistic spectrum disorder. Cochrane Database Syst Rev,2(2)
- [5] Zielinski, B. A., Prigge, M. B., Nielsen, J. A., Froehlich, A. L., Abildskov, T. J., Anderson, J. S., … & Lainhart, J. E. (2014). Longitudinal changes in cortical thickness in autism and typical development. Brain, 137(6), 1799-1812.
- [6] Stoner, R., Chow, M. L., Boyle, M. P., Sunkin, S. M., Mouton, P. R., Roy, S., … & Courchesne, E. (2014). Patches of disorganization in the neocortex of children with autism.New England Journal of Medicine, 370(13), 1209-1219.
- [7] Rossignol, D. A., & Frye, R. E. (2012). A review of research trends in physiological abnormalities in autism spectrum disorders: immune dysregulation, inflammation, oxidative stress, mitochondrial dysfunction and environmental toxicant exposures. Molecular psychiatry, 17(4), 389-401.
- [8] Nankova, B. B., Agarwal, R., MacFabe, D. F., & La Gamma, E. F. (2014). Enteric Bacterial Metabolites Propionic and Butyric Acid Modulate Gene Expression, Including CREB-Dependent Catecholaminergic Neurotransmission, in PC12 Cells-Possible Relevance to Autism Spectrum Disorders. PloS one,9(8), e103740.
- [9] MacFabe, D. (2013). Autism: metabolism, mitochondria, and the microbiome. Global Advances in Health and Medicine, 2(6), 52-66.
- [10] Scumpia, P. O., Kelly-Scumpia, K., & Stevens, B. R. (2014). Alpha-lipoic acid effects on brain glial functions accompanying double-stranded RNA antiviral and inflammatory signalling. Neurochemistry international, 64, 55-63.
- [11] Kostic, A. D., Gevers, D., Siljander, H., Vatanen, T., Hyötyläinen, T., Hämäläinen, A. M., … & DIABIMMUNE Study Group. (2015). The Dynamics of the Human Infant Gut Microbiome in Development and in Progression toward Type 1 Diabetes. Cell host & microbe, 17(2), 260-273.
- [12] Rook, G. A., Raison, C. L., & Lowry, C. A. (2014). Microbiota, immunoregulatory old friends and psychiatric disorders. InMicrobial Endocrinology: The Microbiota-Gut-Brain Axis in Health and Disease (pp. 319-356). Springer New York.
- [13] Borre, Y. E., Moloney, R. D., Clarke, G., Dinan, T. G., & Cryan, J. F. (2014). The impact of microbiota on brain and behaviour: mechanisms & therapeutic potential. In Microbial Endocrinology: The Microbiota-Gut-Brain Axis in Health and Disease (pp. 373-403). Springer New York.
- [14] McElhanon, B. O., McCracken, C., Karpen, S., & Sharp, W. G. (2014). Gastrointestinal symptoms in autism spectrum disorder: a meta-analysis. Pediatrics, 133(5), 872-883.
- [15] Hsiao, E. Y. (2014). Gastrointestinal issues in autism spectrum disorder. Harvard review of psychiatry, 22(2), 104-111.
- [16] Finegold, S. M., Downes, J., & Summanen, P. H. (2012). Microbiology of regressive autism. Anaerobe, 18(2), 260-262.
- Rose, D. R., Yang, H., Serena, G., Sturgeon, C., Ma, B., Careaga, M., … & Van de Water, J. (2018). Differential immune responses and microbiota profiles in children with autism spectrum disorders and co-morbid gastrointestinal symptoms. Brain, Behavior, and Immunity.
In Italia i centri di reclutamento dei bambini sono I seguenti:
Campania
- 𝐀𝐒𝐋 𝐝𝐢 𝐒𝐚𝐥𝐞𝐫𝐧𝐨
Reclutamento Gemma
reclutamento@gemma-project.eu
cell +393518168175 tel. +39089233463 - Fondazione Ebris Salerno
Dr.ssa Ilaria Tamburro
i.tamburro@ebris.eu - 𝐏𝐨𝐥𝐢𝐜𝐥𝐢𝐧𝐢𝐜𝐨 𝐝𝐢 𝐍𝐚𝐩𝐨𝐥𝐢
Dr.ssa Maria Pia Riccio
piariccio@gmail.com
Prof.ssa Carmela Bravaccio
carmela.bravaccio@unina.it - 𝐎𝐬𝐩𝐞𝐝𝐚𝐥𝐞 𝐑𝐮𝐠𝐠𝐢 𝐒𝐚𝐥𝐞𝐫𝐧𝐨
Dr.ssa Francesca Operto
opertofrancesca@gmail.com
Prof. Giangennaro Coppola
gcoppola@unisa.it - 𝐎𝐬𝐩𝐞𝐝𝐚𝐥𝐞 𝐝𝐢 𝐂𝐚𝐯𝐚 𝐝𝐞 𝐓𝐢𝐫𝐫𝐞𝐧𝐢 (𝐒𝐀)
Dr.ssa Domenica Senatore
minase@libero.it
Lazio
- Centro di ricerca “Disability Research Centre” Università degli Studi Internazionali di Roma – UNINT
Dr. Alessandro Frolli
alessandro.frolli@unint.eu
Dr.ssa Maria Carla Ricci
mariacarla.ricci1@gmail.com
I partecipanti saranno valutati come bambini ASD o bambini neurocompetenti (no ASD) in base al Programma di osservazione diagnostica dell'autismo (ADOS) abbinato al modulo Toddler, un nuovo metodo diagnostico. La valutazione ADOS Toddler sarà condotta ogni 6 mesi (a partire dai 12 mesi di età) e utilizzata come primaria. I partecipanti saranno anche valutati come bambini con sintomi gastointestinali (GI) o bambini senza sintomi GI in base all'esistenza di disturbi gastrointestinali irregolari cronici che non erano presenti dalla nascita.
Tutti i bambini verranno campionati ogni 6 mesi fino a 36 mesi: verranno raccolti sangue, urina, feci e saliva. I campioni verranno conservati in una biobanca in modo che i cambiamenti nel tempo di specifici ceppi microbici intestinali, metaboliti, profili immunitari ed epigenetici possano essere valutati nel tempo per ogni singolo bambino. Ad ogni punto temporale di campionamento, verranno registrati i dati clinici e dietetici.
Criteri di inclusione / esclusione
Inclusione: neonati o lattanti sani, parenti di primo grado di individui con autismo (almeno un genitore o un fratello affetto da ASD), di età inferiore a 6 mesi / 26 settimane all'ingresso nello studio, che non abbiano mai ricevuto cibo solido (è consentita l'alimentazione con latte artificale)
Esclusione: neonati con problemi di salute significativi (malattie croniche, genetiche, , syndrome dell’X-fragile, principali malformazioni cerebrali) che richiedono trattamenti medico-chirurgici o specifici e continui, neonati di età superiore a 6 mesi / 26 settimane, neonati che abbiano già ingerito alimenti solidi, gravi problemi gastrointestinali che richiedono un trattamento immediato (potenzialmente letale), bambini gravemente sottopeso / malnutriti, limitazione dietetica nei 3 mesi precedenti, alimentazione con sondino, farmaci dalla nascita che possono influenzare i biomarcatori da valutare, ad esempio antibiotici entro un mese prima dell'arruolamento o antibiotici utilizzato come nei 28 giorni prima dell'iscrizione.
Studio interventistico clinico (su 40-60 bambini con autismo e autism e disturbi gastro-intestinali) per testare l'ipotesi che prebiotici e/o probiotici per specifica popolazione target identificata da biomarcatori validati possano attenuare l'espressione di ASD e comorbilità.
Criteri di inclusione / esclusione
Inclusione:bambini di età superiore ai 18 mesi che hanno completato lo studio osservazionale, hanno sviluppato segni e sintomi clinici di ASD i cui genitori consentiranno l'intervento in questo studio come unica terapia dietetica / orale durante il periodo di studio.
Esclusione:neonati che non hanno completato lo studio osservazionale, neonati che hanno iniziato qualsiasi altro intervento terapeutico orale / medico / dietetico per ASD, uno qualsiasi dei criteri di esclusione menzionati nello studio osservazionale