Gene transfer in murine model of Sandhoff disease using a scAAV9 vector : interest of double way of administration ?
Transfert de gènes dans un modèle murin de la maladie de Sandhoff à l'aide d'un vecteur scAAV9 : intérêt d'une double voie d'administration ?
Résumé
Sandhoff disease (SD) is a genetic disorder due to mutations in the HEXB gene. It is characterized by a double Hex A (αβ) and B (ββ) deficiency, responsible for a GM2 accumulation, mainly in the central nervous system (CNS). Clinically, SD begins in the first months of life and culminates in death around 3 years of age. So far, no specific treatment is available for Sandhoff disease. The murine model obtained by invalidation of the Hexb gene is a useful tool for the development of therapeutic approaches, as it exhibits a phenotype quite close to the human disease. The main aim of my PhD project was to explore a gene transfer approach in Sandhoff mice using a specific scAAV9. This vector has the particularity to cross the blood-brain barrier after intravenous (IV) administration and to transduce brain. A vector encoding the hexosaminidases β chain, called scAAV9-Hexb, has been previously IV injected in neonatal Hexb-/- mice with a dose of 3.5 x 1013 vg/kg. I participated to the long-term analysis of the scAAV9-Hexb treated mice using behavioral tests and analysis of tissues at 24 months post-injection. Mice had a survival similar to normal mice (>700 days) without neurological sign and peripheral damage by comparison with naïve Sandhoff mice (death around 120 days). At 4 months post-treatment, lipid analysis using HPTLC showed that GM2 storage was absent in brain, but it was only decreased in cerebellum of treated mice. Even if no symptom was associated with this residual storage in mice at 2 years, we wondered if it could possibly be pathogenic at longer-term if extrapolated to patients. Therefore, we decide to test a combined way of administration i.e. intravenous (IV) + intracerebroventricular (ICV) using the same vector with the same final dose. Two groups of mice were injected using different doses in both compartments and treatment efficacy was evaluated at short- and long-term. In the cerebrum, at short-term, enzymatic activities were partially but significantly restored, GM2 accumulation was completely prevented and disease biomarkers corrected. In the cerebellum, a significant increase of enzymatic activity was only obtained for the group treated with the highest dose in the ICV compartment. Regarding GM2 analysis and long-term behavioral analysis, we confirmed that this dose is required to cure cerebellum. In liver, our results suggest that IV minimal dose is needed to obtain a decrease of lipid accumulation. Our results showed that minimal doses are required in ICV and IV to obtain a good efficacy in each compartments, and that combined administration permit a widespread correction in the CNS. These data will permit to treat adult mice with the optimal treatment. The other goal of my project was to explore signaling defects and cellular pathophysiology in Sandhoff disease using in vivo and in vitro studies. For in vitro studies, fibroblasts from Tay-Sachs and Sandhoff patients were analyzed and mouse embryonic fibroblasts (MEF) were obtained from the Hexb-/- murine model, lysosomal storage was confirmed. mTOR (mammalian target of rapamycin) pathway was studied showing signaling deregulation. Autophagy was analyzed in vitro and in vivo, as defect in this pathway has been reported in other lysosomal storage disorders. An increase of autophagosomes number was observed in Hexb-/- subjects suggesting a defect in autophagy. These results offer novel biomarkers of Sandhoff pathology which can be useful to test the efficacy of therapeutic approaches. They can also provide new therapeutic targets that could be tested in combination with gene transfer.
La maladie de Sandhoff est une maladie génétique rare due à des mutations du gène HEXB. Elle se caractérise par un double déficit en hexosaminidase A (αβ) et B (ββ), responsable d’une accumulation de ganglioside GM2 essentiellement dans le système nerveux central (SNC). Cliniquement, la maladie débute dès les premiers mois de vie et le décès survient vers l’âge de 3 ans. A ce jour, aucun traitement n’est disponible pour cette maladie. Le modèle murin obtenu par invalidation du gène Hexb est un bon outil pour le développement d’approches thérapeutiques, car il présente un phénotype proche de la maladie humaine. Le but principal de mon projet de thèse était d’explorer une approche de transfert de gène dans le modèle murin de la maladie de Sandhoff en utilisant un vecteur scAAV9. Ce vecteur a la particularité de pouvoir traverser la barrière hématoencéphalique et de transduire le SNC après administration intraveineuse (IV). Un vecteur codant la chaîne β des hexosaminidases, appelé scAAV9-Hexb, a précédemment été administré par voie IV à des souris en période néonatale à une dose de 3,5 x 1013 vg/kg. Les souris traitées ont survécu comme les souris normales (>700 jours) sans développer d’atteinte neurologique, ni périphérique alors que les souris Sandhoff non traitées sont décédées vers l’âge de 4 mois. J’ai réalisé toutes les analyses à long terme des souris traitées en utilisant des tests de comportements, ainsi que des analyses tissulaires 24 mois après le traitement. Une analyse lipidique par HPTLC a montré que la surcharge en ganglioside GM2 est totalement absente au niveau du cerveau (4 mois après l'injection), alors que dans le cervelet cette accumulation est non significative, mais pas totalement absente. Aucun symptôme lié à cette surcharge n’a été mis en évidence chez les souris à 24 mois, mais nous nous sommes posé la question d’un possible effet délétère à long terme en cas d’extrapolation à la clinique. Nous avons donc décidé de tester une double administration IV + ICV (intracérébroventriculaire) en utilisant le même vecteur et la même dose globale de façon à mieux corriger le cervelet. Deux groupes de souris ont été injectés en période néonatale en utilisant des doses différentes dans les deux compartiments. Les analyses ont montré que dans le cerveau, à court terme, la restauration de l’activité enzymatique est partielle, mais significative. Par ailleurs, il existe une absence totale de surcharge en GM2, ainsi qu’une correction des biomarqueurs associés à la maladie. Dans le cervelet, l’efficacité du traitement a été montrée seulement pour le groupe traité avec la dose la plus importante en ICV, ce qui suggère qu’une dose minimale en ICV est nécessaire pour atteindre de manière globale le SNC. Ces résultats ont été confirmés par l’analyse à long terme. Concernant le foie, nos résultats ont montré qu’une dose IV minimale est nécessaire pour obtenir une baisse de l’accumulation lipidique. Ce travail a permis de définir les doses minimales nécessaires dans chaque compartiment (IV et ICV) et il montre que la double administration peut être avantageuse pour traiter toutes les régions du SNC et notamment les plus atteintes, comme le cervelet. Il va maintenant nous permettre de traiter de façon optimale les souris adultes. L’autre but de mon projet était d’explorer les défauts de signalisation et la physiopathologie cellulaire dans la maladie de Sandhoff en utilisant des études in vivo et in vitro. Les études in vitro ont été réalisées sur des fibroblastes de patients et des cellules embryonnaires murines (MEF) obtenues à partir des souris Hexb-/- et la surcharge lysosomale a été confirmée dans ces cellules. La voie mTOR (mammalian target of rapamycin) a été analysée et nous avons montré qu’elle était dérégulée. L’activité autophagique a aussi été étudiée et nous avons mis en évidence une augmentation du nombre d’autophagosomes chez les souris Hexb-/- suggérant un défaut de cette voie. (...)
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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