Dravet syndrome (DS) is a severe infantile epileptic encephalopathy, characterized by drug-resistant epilepsy, severe cognitive and behavioral deficits and a high risk of sudden unexpected death (SUDEP). In the 80% of cases, it is caused by haploinsufficiency of SCN1A gene, that encodes for the α subunit of the voltage-gated sodium channel Nav1.1.
Gene therapy is a promising treatment for DS but whether the reinstatement of physiological levels of Nav1.1 is sufficient to revert the pathology after symptom onset remains unknown. To address this question, we generated a Scn1a conditional knock-in mouse model (Scn1aStop/+) in which Scn1a expression can be re-activated on-demand during the mouse lifetime1. We showed that Scn1a gene re-activation when symptoms were already manifested (P30) led to a complete rescue of both spontaneous and thermic inducible seizures and a marked amelioration of behavioral abnormalities including social deficits, hyperactivity and cognitive impairment1. We also identified dramatic gene expression alterations, including those associated with astrogliosis in Dravet syndrome mice, that, accordingly, were rescued by Scn1a gene expression normalization at P30. Interestingly, regaining of Nav1.1 physiological level rescued seizures also in adult Dravet syndrome mice (P90) 1. Overall, these findings represent a solid proof-of-concept highlighting that disease phenotype reversibility can be achieved when Scn1a gene activity is efficiently reconstituted in brain cells.
In a therapeutic perspective, it would be important to determine whether Scn1a is also required after a critical developmental time-window or whether ensuring physiological levels of Nav1.1 during early post-natal life is sufficient to prevent or mitigate DS symptoms.
To achieve temporal control of Scn1a gene expression, we crossed a conditional model of DS carrying a missense mutation in the coding sequence (floxed stop Scn1a*A1783V) with UBC-Cre-ERT2 mice. By tamoxifen injections, we induced the expression of Scn1a mutant allele at two different post-natal time points, P30 and P60 and compared their phenotypes to those of perinatally (P2) inactivated mice (Dravet model). P30- and P60-inactivated mice show a mortality rate for SUDEP comparable to Dravet mice and video-EEG analysis detected the occurrence of spontaneous seizures. When tested for behavioral alterations, P30- and P60-inactivated mice revealed to be anxious and hyperactive and display impairment in social memory similarly to Dravet mice. Interestingly, in the water maze test, they showed to be more skilled in comparison to Dravet mice. Our data show that the maintenance of physiological levels of Nav1.1 until P30 and P60 is not sufficient to prevent DS symptoms but ameliorated cognitive performance. These data suggest that continuous administration of any treatment aiming to increase levels of Scn1a gene is required as also late induction of Scn1a gene haploinsufficiency manifest in DS phenotype.
La sindrome di Dravet (DS) è una grave encefalopatia epilettica infantile, caratterizzata da epilessia resistente ai farmaci, gravi deficit cognitivi e comportamentali e un alto rischio di morte improvvisa inaspettata (SUDEP). Nell'80% dei casi è causata dall' aploinsufficienza del gene SCN1A, che codifica per la subunità α del canale del sodio voltaggio-dipendente Nav1.1.
La terapia genica è un trattamento promettente per la SD, ma non è chiara la sua efficacia dopo l'insorgenza dei sintomi. Per rispondere a questa domanda, abbiamo generato un nuovo modello di topo reversibile della SD in cui l'espressione Scn1a può essere riattivata su richiesta durante la vita. Abbiamo dimostrato che la riattivazione del gene Scn1a quando i sintomi erano già manifestati (P30) ha portato a un completo recupero di crisi inducibili sia spontanee che termiche e un marcato miglioramento delle anomalie comportamentali tra cui deficit sociali, e cognitivi. Nel complesso, questi risultati rappresentano una solida prova di concetto che evidenzia che la reversibilità del fenotipo della malattia può essere raggiunta quando l'attività del gene Scn1a viene ricostituita in modo efficiente in cellule cerebrali.
In una prospettiva terapeutica, sarebbe importante determinare se Scn1a è richiesto anche dopo una finestra temporale di sviluppo critica o se garantire livelli fisiologici di Nav1.1 durante la prima vita postnatale è sufficiente per prevenire o mitigare i sintomi della DS.
Per ottenere il controllo temporale dell'espressione del gene Scn1a, generato un nuovo modello murino in cui l'aploinsuffcienza del gene puo' essere indotta a tempi diversi. Mediante iniezioni di tamoxifene, abbiamo indotto l'espressione dell'allele mutante Scn1a a due diverse età (P), P30 e P60 e abbiamo confrontato i loro fenotipi con quelli di classici animali Dravet. I topi inattivati a P30 e P60 presentano crisi epilettiche e mostrano un tasso di mortalità, livelli di ansia, iperattività e disturbi sociali confrontabili ai topi Dravet. Nei test cognitivi, mostrano maggiore abilità rispetto ai topi Dravet. I nostri dati mostrano che il mantenimento dei livelli fisiologici di Nav1.1 fino a P30 e P60 non è sufficiente a prevenire i sintomi della DS ma migliora le prestazioni cognitive. Questi dati suggeriscono che è necessaria la somministrazione continua di qualsiasi trattamento mirato ad aumentare i livelli del gene Scn1a poiché anche l'induzione tardiva dell'aploinsufficienza del gene Scn1a si manifesta nel fenotipo DS.
1. Scn1a gene reactivation after symptom onset rescues pathological phenotypes in a mouse model of Dravet syndrome. Valassina N, Brusco S, Salamone A, Serra L, Luoni M, Giannelli S, Bido S, Massimino L, Ungaro F, Mazzara PG, D'Adamo P, Lignani G, Broccoli V* and Colasante G*. Nature Communication, Jan 10;13(1):161.