Exploiter la thérapie génique ciblant le foie pour traiter des pathologies hépatiques et extra-hépatiques

Taking advantage of liver gene transfer to treat hepatic and non-hepatic disorders

• Auteur / Autrice : Louisa Jauze
• Direction : Fabienne Rajas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 19/03/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Biologie Moléculaire Intégrative et Cellulaire (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Nutrition et cerveau (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Marc Nicolino
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabienne Rajas, Valérie Paradis, Deniz Dalkara, Philippe Labrune, Giuseppe Ronzitti
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Valérie Paradis, Deniz Dalkara

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dependovirus

Métastases hépatiques

Glycogénoses

Thérapie génique

Foie -- Maladies

Mots clés libres

Thérapie génique

AAV

Foie

Muscles

Glycogénose

XLH

Fibrose

Tumeurs hépatiques

Gene transfer

AAV

Liver

Muscles

Glycogen storage disease

Xlh

Fibrosis

Hepatic tumor

Résumé

La thérapie génique ciblant le foie est une technologie innovante qui présente de nombreux intérêts, notamment pour le traitement de maladies monogéniques. Les virus adéno-associés recombinants (rAAV) sont de très bons vecteurs pour exprimer un gène « médicament », en particulier en ciblant le foie. Cependant, l’efficacité de la thérapie génique peut être diminuée dans les situations où l’architecture du foie est endommagée et/ou en prolifération. De même, certaines pathologies nécessitent le traitement du foie mais aussi de tissus connus pour être peu ciblés par les rAAV, tels que les muscles squelettiques et les reins. Dans cette thèse, nous avons développé des approches de thérapie génique ciblant le foie pour trois maladies rares sans traitement curatif afin de relever ces défis. Les glycogénoses de type Ia (GSDIa, mutation du gène G6PC) et de type III (GSDIII, mutation du gène AGL) sont des pathologies qui se caractérisent par une accumulation anormale de glycogène au niveau du foie, associée respectivement à une stéatose ou une fibrose hépatique modifiant l’architecture du foie. De plus, le glycogène s’accumule aussi dans les reins, ce qui mène à une maladie rénale dans la GSDIa, ou les muscles squelettiques, résultant à une perte de la force musculaire dans la GSDIII. Dans un premier temps, nous avons pu confirmer une perte du transgène au cours du temps dans les modèles animaux de la GSDIa et de la GSDIII, probablement en raison du caractère prolifératif des foies et d’un effet de dilution du transgène. Nous avons obtenu une correction à long-terme de la pathologie hépatique de la GSDIa, incluant la prévention du développement de tumeur, grâce à l’utilisation d’un vecteur AAV9 exprimant le gène G6pc sous le contrôle du promoteur hépatique de l’alpha antri-trypsine humaine (hAAT). Pour la GSDIII, nos résultats permettent de mettre en évidence que l’efficacité de la transduction des foies GSDIII n’est pas impactée par la fibrose. Nous avons transduit efficacement le foie, le cœur, mais aussi les muscles squelettiques. Dans les muscles squelettiques, l’expression de la protéine codée par AGL a été augmentée après un prétraitement des animaux par la rapamycine, qui active l’autophagie. Dans la troisième étude, nous avons mis au point une thérapie pour l’hypophosphatémie liée à l’X (XLH), pathologie dans laquelle la surexpression du facteur de croissance du fibroblaste 23 (FGF-23) conduit à une fuite du phosphate dans les urines, et à un défaut de minéralisation des tissus osseux. Plutôt que de cibler les reins ou les os, tissus peu transduits par les rAAV, nous avons ciblé le foie afin d’exprimer et sécréter dans la circulation une molécule capable de se fixer au récepteur du FGF-23 et qui se comportera comme un compétiteur du FGF-23 endogène (cFGF-23). Cette approche a permis de corriger le défaut de minéralisation et la croissance, dans un modèle murin de la pathologie. En conclusion, nous avons développé des approches de thérapie génique utilisant l’AAV pour cibler le foie afin de développer des thérapies pour des pathologies hépatiques et extra-hépatiques rares. Nous avons obtenu une correction du phénotype hépatique pour la GSDIa et la GSDIII. Dans le cas particulier de la GSDIII, nous avons également mis au point une association thérapeutique qui permet une meilleure efficacité de notre stratégie dans les muscles squelettiques. Enfin, nous avons développé une stratégie utilisant le foie en tant que bio-usine, afin qu’il sécrète dans la circulation générale une protéine permettant de corriger un défaut de minéralisation osseux, par une action indirecte sur la physiologie rénale. Ainsi, en nous adaptant au contexte physiopathologique de chaque maladie, la thérapie génique ciblant le foie nous a permis de corriger des pathologies dans lesquelles le foie est endommagé et prolifératif, et dans lesquelles d’autres tissus que le foie sont atteints.

Liver gene transfer is an innovative technology that raises many hopes and allowed the development of several clinical trials and many preclinical studies. It does indeed present many advantages. Recombinant adeno-associated virus (rAAVs) are a vector of choice for this type of approaches. Despite this, there are still some challenges to overcome in order to broaden the scope of liver gene transfer. More precisely, to target a damaged liver and to transduce on the long-term a proliferative liver is an important limitation of gene therapy so far. Moreover, some tissues – such as skeletal muscle and kidneys - are transduced only at a low level by the rAAV. Here, we develop liver gene therapy strategies for three diseases displaying one or more of these limits. We developed gene therapy approaches for glycogen storage disease type Ia (GSDIa) and type III (GSDIII). These diseases manifest with a damaged and proliferative liver, and affect a supplementary tissue: the kidneys (GSDIa) or the skeletal muscles (GSDIII). Our team and others previously highlighted the challenge encountered to obtain an efficient and sustained transduction of the GSDIa and GSDIII hepatocytes, probably because they are in a proliferative state that leads to a transgene dilution effect. We obtained a long-term correction of the hepatic phenotype for each of these diseases, in murine models. Our strategy corrected the GSDIa liver phenotype up to 6 months after rAAV injection, and prevented tumor development. However, this approach did not allow kidney targeting. Regarding GSDIII, we develop a vector that achieved a 12-month correction of the liver and muscle phenotype. Because, this strategy requires high doses of rAAV, we seek for strategy to decrease the rAAV dose: we developed a therapeutic combination of rapamycin and rAAV that achieved a higher efficacy than rAAV alone in the skeletal muscles. We also developed an AAV liver gene transfer approach for X-linked hypophosphatemia (XLH). XLH is a disorder due to the overexpression of the fibroblast growth factor 23 (FGF-23) in the bloodstream, which leads to phosphate leaking in the urine and is responsible for a mineralization defect in the bones. Instead of targeting the kidneys or the bones, which are complicated to transduce with rAAV, we targeted the liver to express and secrete a FGF-23 competitor. This strategy corrected the mineralization defect and the growth impairment in a murine model of XLH. To conclude, we develop AAV liver gene transfer to treat rare hepatic and non-hepatic diseases. We achieved a long-term correction of the liver phenotype in GSDIa and in GSDIII by improving and optimizing the transgene expression cassette. In the case of GSDIII, we also developed a combination therapy using rapamycin and AAV that allowed a better efficiency of the gene transfer in the skeletal muscles. Finally, we developed a strategy using the liver as a bio-factory to express and secrete a protein in the bloodstream. This approach allowed correction of a bone mineralization defect thanks to its effect on the renal blood filtration. By adjusting our strategies to the physiopathological parameters of the disorders we studied, liver gene transfer was a success to treat diseases with damaged and proliferative liver and non-hepatic diseases.