Thérapie génique de la leucodystrophie métachromatique

Brain gene therapy for metachromatic leukodystrophy : towards clinical trial

• Auteur / Autrice : Françoise Piguet
• Direction : Nathalie Cartier, Caroline Sevin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris 5

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neurosciences

Thérapie génétique

Leucodystrophie métachromatique

Thérapie génique

Leucodystrophie métachromatique

Résumé

La leucodystrophie métachromatique (LDM) est une maladie de surcharge lysosomale causée par la déficience de l’arylsulfatase A (ARSA), enzyme lysosomale impliquée dans la dégradation des sulfatides. Ce déficit enzymatique conduit à l’accumulation de sulfatides dans le système nerveux central et périphérique, entrainant une démyélinisation sévère et une dégénérescence neuronale. La forme infantile tardive est la forme la plus fréquente et la plus sévère de la pathologie, avec une évolution rapide et un décès des patients avant l’âge de 5 ans. Aucun traitement n’est actuellement disponible mais diverses stratégies thérapeutiques sont en cours d’évaluation. Du fait de la rapidité du processus neurodégénératif et de l’imperméabilité de la barrière hémato-encéphalique à l’ARSA, l’injection intracérébrale d’un vecteur viral codant l’ARSA semble l’approche thérapeutique la plus appropriée. L’injection intracérébrale d’un vecteur adeno-associé (AAV) de sérotype 5 codant l’ARSA a prouvé son efficacité pour la correction du phénotype dans le modèle murin de la pathologie. Cependant, avant d’envisager une application clinique, l’évaluation de l’efficacité et surtout de la tolérance de notre approche devait être réalisée dans un cerveau de plus grand volume. Chez le primate non-humain, nous avons démontré qu’un nombre limité d’injections intracérébrales du vecteur AAV5/ARSA entrainait une large diffusion du vecteur (37 à 46% de l’hémisphère injecté) et de l’ARSA recombinante (jusqu’à 33mm), ainsi qu’une augmentation significative de l’activité ARSA dans 50-65% de l’hémisphère injecté, sans aucun signe de toxicité. L’un des challenge majeur de la thérapie génique intracérébrale pour les maladies lysosomales est la mise en place d’une thérapie capable de traiter l’ensemble du cerveau, c'est-à-dire permettrait une large diffusion du gène et / ou de la protéine mais surtout le ciblage des cellules impliquées dans la pathologie. Le vecteur AAVrh. 10 a été démontré récemment comme permettant une meilleure diffusion de la protéine thérapeutique dans le cerveau de rongeurs après injection intracérébrale. Par conséquent nous avons décidé d’évaluer l’intérêt de ce sérotype dans notre modèle de la pathologie. L’injection de vecteur AAVrh. 10/ARSA dans le cerveau de souris LDM symptomatiques a permis une correction plus rapide (2 mois) et plus complète de la surcharge en sulfatides et des lésions histologiques en comparaison avec l’AAV5/ARSA. De plus, nous avons démontré la présence de l’enzyme thérapeutique dans les oligodendrocytes (la cellule cible de la LDM), et la quantité de C24:0-sulfatide, un isoforme de sulfatides présent exclusivement dans les oligodendrocytes, était complètement corrigée, ce qui constitue un résultat d’importance majeure d’un point de vue thérapeutique. L’utilisation d’un vecteur AAVrh. 10/GFP, nous a de plus permis de caractériser plus précisément le transport axonal et le tropisme cellulaire de l’AAVrh. 10, en démontrant notamment l’existence d’un transport rétrograde. Devant ces résultats encourageants, une étude d’efficacité et de tolérance a été réalisée chez le primate. Quatre primates ont été injecté uni ou bilatéralement avec le vecteur AAVrh. 10/ARSA de grade clinique (1. 1. 1011GC/hemisphere), dans des régions de la substance blanche déterminée au moyen d’une IRM. Dans un but clinique, la procédure chirurgicale a été optimisée afin de permettre l’injection simultanée des 12 sites, réduisant ainsi le temps de chirurgie. La tolérance de la procédure a été évalué par des tests neurologiques séquentiels et des IRM cérébrales. Les animaux ont été analysés 3 mois post injection. Nous avons démontré une diffusion importante du vecteur (jusqu’à 90% de l’hémisphère injecté) et une augmentation de l’activité ARSA allant jusqu’à 31% dans l’ensemble de l’hémisphère injecté. Comparé à nos précédents résultats avec l’AAV5, l’utilisation d’une dose 20 fois plus faible de vecteur conduit à une diffusion similaire dans l’hémisphère injecté, une quantité plus importante de vecteur dans l’hémisphère non-injecté et surtout une augmentation plus importante de l’activité ARSA. Une étude de toxicologie chez le primate est actuellement en cours avant de débuter un essai clinique de phase I/II pour des patients atteints de formes rapidement évolutives de LDM.

Metachromatic leukodystrophy (MLD) is a lethal lysosomal storage disorder of the CNS and PNS due to a deficiency in arylsulfatase A (ARSA) enzyme that results in sulfatide accumulation, demyelination and neuronal degeneration. The late infantile form of MLD is the most frequent and severe form of the disease, death of patients occuring before the age of 5 years. No treatments are currently available for MLD, even if new therapeutic approaches are under evaluation. Given the rapid course of neurodegeneration and the impermeability of the blood brain barrier to the ARSA enzyme, direct brain delivery of ARSA through gene therapy vector seems to be the most suitable therapeutic approach. Intracerebral delivery of Adeno-Associated viral vector of serotype 5 (AAV5) encoding human ARSA was shown to efficiently correct the phenotype of the MLD mouse model. However, before moving towards clinical trial, efficiency and tolerance of the procedure needed to be evaluated in a larger size brain. In normal non-human primates, we demonstrated that a limited number of intracerebral injections of AAV5/ARSA vector led to a widespread diffusion of the vector (37-46% of the injected hemisphere) and ARSA enzyme (up to 33 mm), as well as a significant increase in ARSA activity in 50-65% of the injected hemisphere, without any signs of toxicity. One of the main challenges for brain gene therapy in LSDs is to provide a therapy allowing the treatment of the entire brain, which requires widespread delivery of the normal gene and/or protein, but also the targeting of the right type of cells. AAVrh. 10 vector was recently shown to give a better diffusion of therapeutic proteins in the rodent brain after intracerebral administration. For this reason, we decided to evaluate this serotype in our therapeutic strategy. In symptomatic MLD mice, AAVrh10/ARSA vector injection resulted in a more rapid and complete correction of sulfatide storage and brain neuropathology 2 months after intracerebral injections in comparison with AAV5/ARSA vector. Importantly, ARSA enzyme was detected in oligodendrocytes, the targeted cell in MLD, and the levels of oligodendrocyte-specific sulfatide isoforms (C24:0-sulfatide) were completely corrected, a result of major importance for therapeutic intervention. Using an AAVrh. 10/GFP vector, we also characterized more precisely the axonal transport and cell tropism of AAVrh. 10 vector and demonstrated the existence of retrograde transport of the vector. Given these encouraging results, safety and efficiency study was performed in non-human primates. GLP-grade AAVrh. 10/ARSA vector was injected in one or both hemispheres (1. 1. 1011 VG/hemisphere) in white matter areas selected using brain MRI. In a clinical perspective, surgical device was optimized to allow simultaneous infusion of 12 deposits, thus reducing time of surgical procedure. Tolerance of the procedure was assessed by sequential neurobehavioral tests and brain MRI. Animals were analyzed 3 months post-injection. We documented diffusion of the vector in up to 90% and increased activity of ARSA enzyme up to 31% in the injected hemisphere. As compared to our previous results with AAV5/ARSA, the use of a 20-fold lower dose of AAVrh. 10 vector led to increased amounts of vector in the non-injected hemisphere and increased level of ARSA activity in the injected hemisphere. Toxicological evaluation is currently ongoing in NHP, prior to a phase I/II clinical trial for rapidly evolutive forms of MLD.