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Chronic Rapamycin administration via drinking water mitigates the pathological phenotype in a Krabbe disease mouse model through autophagy activation - 22/03/24

Doi : 10.1016/j.biopha.2024.116351 
Ambra Del Grosso a, b, , Sara Carpi a, 1, Miriam De Sarlo a, Luca Scaccini b, Laura Colagiorgio a, Husam B.R. Alabed c, Lucia Angella a, Roberto Maria Pellegrino c, Ilaria Tonazzini a, Carla Emiliani c, Marco Cecchini a,
a Istituto Nanoscienze – CNR, Pisa, Piazza San Silvestro 12, Pisa 56127, Italy 
b Laboratorio NEST, Scuola Normale Superiore, Piazza S. Silvestro 12, 56127, Pisa, Italy 
c Department of Chemistry, Biology, and Biotechnologies, University of Perugia, Perugia, Italy 

Corresponding authors at: Istituto Nanoscienze – CNR, Pisa, Piazza San Silvestro 12, Pisa 56127, Italy.Istituto Nanoscienze – CNR, PisaPiazza San Silvestro 12Pisa56127Italy

Abstract

Krabbe disease (KD) is a rare disorder arising from the deficiency of the lysosomal enzyme galactosylceramidase (GALC), leading to the accumulation of the cytotoxic metabolite psychosine (PSY) in the nervous system. This accumulation triggers demyelination and neurodegeneration, and despite ongoing research, the underlying pathogenic mechanisms remain incompletely understood, with no cure currently available. Previous studies from our lab revealed the involvement of autophagy dysfunctions in KD pathogenesis, showcasing p62-tagged protein aggregates in the brains of KD mice and heightened p62 levels in the KD sciatic nerve. We also demonstrated that the autophagy inducer Rapamycin (RAPA) can partially reinstate the wild type (WT) phenotype in KD primary cells by decreasing the number of p62 aggregates. In this study, we tested RAPA in the Twitcher (TWI) mouse, a spontaneous KD mouse model. We administered the drug ad libitum via drinking water (15 mg/L) starting from post-natal day (PND) 21–23. We longitudinally monitored the mouse motor performance through grip strength and rotarod tests, and a set of biochemical parameters related to the KD pathogenesis (i.e. autophagy markers expression, PSY accumulation, astrogliosis and myelination). Our findings demonstrate that RAPA significantly enhances motor functions at specific treatment time points and reduces astrogliosis in TWI brain, spinal cord, and sciatic nerves. Utilizing western blot and immunohistochemistry, we observed a decrease in p62 aggregates in TWI nervous tissues, corroborating our earlier in-vitro results. Moreover, RAPA treatment partially removes PSY in the spinal cord. In conclusion, our results advocate for considering RAPA as a supportive therapy for KD. Notably, as RAPA is already available in pharmaceutical formulations for clinical use, its potential for KD treatment can be rapidly evaluated in clinical trials.

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Graphical Abstract




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Highlights

Rapamycin triggers autophagy in the Twitcher (TWI) mouse.
Rapamycin promotes the clearance of p62-tagged protein aggregates in the nervous system of TWI mice.
Rapamycin improves crucial pathophysiological parameters in TWI mice, including PSY accumulation and astrogliosis.
These findings support the clinical translation of Rapamycin for the treatment of Krabbe disease.

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Abbreviations : KD, GALC, PSY, RAPA, WT, TWI, PND, ERT, LC3, ATG5, P62, PNS, CNS, HET, TP, TWI+RAPA, BCA, LC/HRMS, RT, BSA, SDS-PAGE, MBP, HPR, GAPDH, DMEM, FCS, ITI

Keywords : Krabbe disease, Globoid cell leukodystrophy, autophagy induction, Rapamycin, psychosine, Twitcher mouse, P62aggregates


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