Construction et validation d'un vecteur herpétique (HSV-1) permettant une expression prolongée et sélective de transgènes au sein des neurones afférents de la vessie pour la prise en charge de l'hyperactivité détrusorienne neurogène. : Une approche translationnelle

Construction and validation of HSV-1 vectors with selective and long-term expression in bladder afferent neurons for gene therapy of neurogenic detrusor overactivity. : A translational approach

• Auteur / Autrice : Charles Joussain
• Direction : Alberto-Luis Epstein, Keith Alan Foster
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physiologie, physiopathologie
• Date : Soutenance le 27/09/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Handicap neuromusculaire : physiopathologie, biothérapie et pharmacologie appliquées (Versailles ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Saclay (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Van Kerrebroeck
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cornel Fraefel, Andreas Rummel, Aurélie Goyenvalle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cornel Fraefel, Andreas Rummel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Herpes simplex virus

Toxines botuliques

Vessie neurogène

Neurones sensitifs

Thérapie génique

Mots clés libres

Vecteur herpétique

Thérapie génique

Hyperactivité détrusorienne

Neurones afférents

Chaine légère de toxine botulique

Sélectivité d’expression à long terme

HSV-1 vectors

Gene therapy

Neurogenic detrusor overactivity

Bladder afferent neurons

Light chain of botulinum toxin

Long term and selective expression

Résumé

Cinquante à 80% des patients atteints d'une lésion médullaire traumatique (LM) présente des d'épisodes d'incontinence urinaire liés à une hyperactivité détrusorienne neurogène (HDN). L’HDN est caractérisée par des contractions non inhibées du détrusor pendant la phase de remplissage vésical, qui conduit à une augmentation des pressions détrusoriennes, particulièrement lorsque l’HDN est associée à une dyssynergie vésico-sphinctérienne. L'objectif principal de la prise en charge de l’HDN est d'obtenir une vidange vésicale régulière, complète et à basse pression, ainsi que de maintenir la continence urinaire, afin d'améliorer la qualité de vie des patients et de prévenir les complications uro-néphrologiques dont l’insuffisance rénale. La prise en charge actuelle repose sur une pharmacothérapie agissant principalement au niveau de la branche efférente, motrice, du réflexe mictionnel, permettant ainsi un remplissage vésical à basse pression. Le traitement de première intention repose sur des antimuscariniques oraux, le plus souvent associés à la réalisation d’autosondages pluriquotidiens. En cas d’échec de cette thérapeutique, l’injection intradétrusorienne de toxine botulique A est proposée. Cependant, malgré leur efficacité, ces traitements induisent des effets secondaires et souffrent d’un échappement thérapeutique, conduisant à un traitement chirurgical de troisième ligne. La technique de Brindley, qui consiste en une désafférentation des racines postérieures sacrées innervant la vessie associée à une stimulation électrique, à la demande, des racines antérieures est une alternative prometteuse, mais reste peu proposée en raison de la complexité de la procédure chirurgicale requise. L'HDN résulte de l'émergence d'un réflexe spinal anormal médié par une plasticité des afférences vésicales de type-C dans les suites de la LM. Le projet de mon équipe est de réaliser une déafférentation vésicale par thérapie génique afin d'abolir le réflexe de miction spinale altérée. Dans un second temps, la miction sera déclenchée par une stimulation électrique à la demande, des neurones efférents de la vessie. Mon travail de thèse consistait à développer les outils nécessaires à une telle désafférentation moléculaire. En conséquence, j'ai construit des vecteurs défectifs HSV-1 délivrant comme transgène thérapeutique la chaine légère d’un toxine botulique (BoNT-LC), sous le contrôle du promoteur du gène codant pour la protéine liée au gène de la calcitonine (hCGRP), permettant une expression sélective au sein des neurones sensoriels. La cassette de transcription a été insérée dans le locus LAT du génome HSV-1, la seule région du génome du virus qui reste active sur le plan transcriptionnel pendant une infection latente. Ces vecteurs ont été évalués (i) in vitro, sur des lignées cellulaires d'origine neurale et sur des cultures primaires de neurones sensoriels embryonnaires et adultes de rats, ainsi que sur des cultures primaires de neurones sensoriels et sympathiques humains adultes, (ii) ex vivo, sur des cultures organotypiques de ganglions sensoriels, sympathiques et parasympathiques de rats adultes, et (iii) in vivo, post inoculation au niveau du coussinet plantaire de rats adultes. Nos résultats indiquent que (i) les vecteurs expriment des BoNT-LC fonctionnelles, clivant ainsi les protéines SNARE post infection de cultures primaires de neurones sensoriels de rats et d’être humain, et inhibant la libération du neuromédiateur CGRP dans les neurones sensoriels de rat, (ii) la sélectivité d’expression de ces vecteurs dans des neurones sensoriels humains, par rapport aux neurones sympathiques humains, et (iii) une expression transgénique prolongée in-vivo au sein de ganglions sensoriels (DRG), au moins pour trois mois, après injection. Par conséquent, ces vecteurs semblent présenter les trois principales spécifications requises pour le développement d’une future stratégie de thérapie génique visant à traiter l’HDN.

Fifty to 80% of patients with traumatic spinal cord injury (SCI) undergo urinary incontinence episodes, mostly related to neurogenic detrusor overactivity (NDO). NDO is characterized by uninhibited detrusor contractions during the bladder-filling phase which could lead to a significant increase in bladder pressures, especially when associated to sphincter-destrusor-dyssynergia, leading to uro-nephrological complications. The main goal of NDO management following SCI is to achieve regular and complete bladder emptying, avoiding high intra-detrusor pressure and maintaining continence, in order to improve patients’ quality of life and to prevent renal failure. The current management is well characterized and relies on pharmacotherapy acting primarily at the level of efferent motor micturition reflex branch, thus allowing bladder filling at low pressure. First line treatment relies on oral antimuscarinics, often associated to clean intermittent bladder self-catheterization. When patients are refractory to antimuscarinics, injection of botulinum toxin A into the detrusor is proposed. However, despite their efficacy, these treatments fail to persist in the long term, leading to a third-line surgical treatment, which consists in cystoplasty augmentation or sacral neuromodulation. The Brindley technique, which consist in a sacral deafferentation of bladder posterior roots associated to an electrical stimulation, on demand, of anterior roots is a promising alternative, but remains seldom performed because of the complex surgical procedure required. NDO results from the emergence, secondary to neuronal plasticity following SCI, of an abnormal micturition reflex mediated by bladder afferent C-fibers, conveying aberrant sensory information to the spinal cord. The aim of the team where I developed my work is to silence these bladder afferent C-fibers in order to abolish the impaired spinal micturition reflex after SCI. In a second time, micturition would be fired, on demand, by electric stimulation of the bladder efferent neurons. My work consisted in developing the tools and methods required for such molecular deafferentation. Accordingly, I constructed replication-incompetent HSV-1 vectors conceived to deliver a therapeutic transcription cassette, consisting in the light chains of botulinum toxin (BoNT-LC) driven by the human version of the promoter of the gene encoding calcitonin gene-related protein (hCGRP), to achieve sensory neuron-selective transgenic expression. The transcription cassette was inserted into the LAT locus of the HSV-1 genome, the only region of the virus genome that remains transcriptionally active during latent infection. These vectors have been assessed (i) in vitro, on cell lines of neural origin and on primary cultures of rat embryonic and adult sensory neurons, and on primary cultures of adult human sensory and sympathetic neurons, (ii) ex vivo, on organotypic cultures of sensory, sympathetic and parasympathetic ganglia from adult rats, and (iii) in vivo, in sensory ganglia following infection at the hind footpad of adult rats.Our results indicate that (i) the vectors express functional BoNT-LC, thereby cleaving proteins of the SNARE complex in rat and human sensory neurons and inhibiting release of the neuromediator CGRP in rat sensory neurons, (ii) the transcription cassette delivered by the vectors display highly selectively expression towards human sensory neurons, as compared to human sympathetic neurons, and (iii) the vectors induced long-term transgenic expression in sensory (DRG) ganglia (at least for three months) following footpad injection. Therefore, the vectors seem to accomplish the three main specifications required for a future gene therapy strategy, allowing to restore urinary continence and micturition without catheterization and without any major surgery. This approach will represent a major breakthrough in the management of NDO in SCI patients with complete and incomplete lesion.