Treatment of Diabetes and Long-term Survival Following Insulin and Glucokinase Gene Therapy: a Proof-of-concept Study in Dogs

Abstract

Els pacients diabètics de tipus 1 necessiten teràpia substitutòria amb insulina per poder sobreviure, però tot i això, no sempre s’aconsegueix una regulació adequada de la seva glucèmia. La hiperglucèmia crònica porta al desenvolupament d’importants complicacions secundàries que estan associades amb una elevada morbilitat i mortalitat. El desenvolupament de complicacions secundàries es pot enlentir mitjançant un control estricte de la glucèmia, però això resulta difícil degut a que la teràpia amb insulina exògena està associada amb un risc sever d’episodis d’hipoglucèmia. Per tant, la regulació precisa de l’homeostasi de la glucosa és un repte en el tractament de la diabetis. La manipulació genètica del múscul esquelètic representa una estratègia atractiva per tal de tractar la diabetis. El múscul esquelètic és el responsable de la captació de més d’un 70% de la glucosa postpandrial. A més a més, el múscul esquelètic és fàcilment manipulable, és capaç de secretar proteïnes a torrent sanguini i és transduible per varis vectors terapèutics. Al nostre laboratori prèviament s’ha demonstrat que és possible generar al múscul esquelètic un “sensor de la glucosa” mitjançant la coexpressió de glucoquinasa (Gck) i de nivells constitutius i basals d’insulina (Ins). En aquest sistema, el flux de glucosa cap al múscul esquelètic és regulat pels nivells de glucosa circulants, permetent un increment en la captació de glucosa en presència d’hiperglucèmia, però evitant-se possibles episodis d’hipoglucèmia. Per tal de comprovar aquesta hipòtesi, ratolins diabètics van ser administrats intramuscularment amb 2 vectors adenoassociats de tipus 1 (AAV1) que expressaven els gens de la Ins i la Gck. Després del tractament els ratolins diabètics van corregir la malaltia. Els vectors AAV han estat els vectors d’elecció per moltes aplicacions de teràpia gènica in vivo degut al seu excel·lent perfil de seguretat i eficàcia. Estudis preclínics han mostrat que la transferència genètica mitjançant vectors AAV permet en models animals petits i grans de malalties l’expressió gènica a llarg plaç. Recentment vàries d’aquestes aproximacions de teràpia gènica han estat traslladades a humans amb resultats prometedors. Tot i això, la gran majoria d’assajos preclínics exitosos en ratolins han fracassat al ser traslladats a models animals grans o en humans. Encara no s’ha aconseguit traslladar amb èxit a animals grans cap aproximació de teràpia gènica o cel·lular per la diabetis. En aquest estudi, l’administració en gossos diabètics una única vegada de vectors AAV1 que codifiquen pels gens de l’Ins i de la Gck va resultar en la normalització de la glucèmia en dejú, de la tolerància a la glucosa després d’un bolus oral de glucosa i en l’absència d’episodis d’hipoglucèmia en exercici durant >4 anys després de la transferència gènica. Això va estar associat amb una recuperació del pes corporal, una normalització dels nivells de proteïnes glicosilades en plasma i una supervivència a llarg plaç sense el desenvolupament de complicacions secundàries. En canvi, el tractament amb insulina exògena o la transferència gènica únicament d’Ins o Gck va ser incapaç d’aconseguir una correcció completa de la diabetis, demonstrant-se que l’acció conjunta de la Ins i la Gck és necessària per tal d’obtenir un efecte terapèutic complet. Aquesta demonstració de la correcció a llarg plaç de la hiperglucèmia diabètica en gossos diabètics representa el pimer èxit en un model animal gran de una teràpia gènica o cel·lular pel tractament de la diabetis y senta les bases pel futur assaig d’aquesta aproximació terapèutica en humans.

Type 1 diabetes patients need insulin replacement therapy to survive, but glycemia is not always regulated in a physiologic manner. Chronic hyperglycemia leads to the development of severe secondary complications that are associated with significant morbidity and mortality. The development of secondary complications can be delayed by tight control of glycemia, however, this is difficult to achieve with exogenous insulin administration because of the associated risk of severe hypoglycemic episodes. Thus, precise regulation of glucose homeostasis is a major challenge in diabetes management. Genetic engineering of skeletal muscle to counteract hyperglycemia is an attractive strategy to correct diabetes. Skeletal muscle is responsible for the disposal of most (70%) of the circulating glucose after a meal. In addition, skeletal muscle is easily manipulated and is able to secrete proteins into the circulation as well as being transducible by a number of therapeutic vectors. We previously demonstrated in our laboratory that it is possible to generate a “glucose sensor” in the skeletal muscle through co-expression of glucokinase (Gck) and constitutive basal levels of insulin (Ins). In such a system, glucose flux into skeletal muscle is regulated by circulating glucose levels, allowing increased glucose uptake whenever hyperglycemia is present, but avoiding hpyoglycemia. To test this hypothesis, two adeno-associated viral vectors of serotype 1 (AAV1) expressing Ins and Gck were delivered intramuscularly to diabetic mice, showing correction of the disease. AAV vectors are the vector of choice for many in vivo gene therapy approaches due to their excellent safety and efficacy profile. Pre-clinical studies have shown that AAV vector-mediated gene transfer results in long-term gene expression in small and large animal models of disease. Recently, some of this preclinical data have been translated into humans with encouraging results. However, for the vast majority of successful proof-of-concept studies in mice, scale-up and long-term efficacy in large animal models or humans has been problematic or disappointing. Scale-up has yet to be demonstrated in large animal models of diabetes with either gene or cell therapy approaches. In this study, a one-time intramuscular administration of AAV1 vectors encoding for Gck and Ins in diabetic dogs resulted in normalization of fasting glycemia, normalized disposal of glucose after oral challenge, and no episodes of hypoglycemia during exercise for >4 years after gene transfer. This was associated with recovery of body weight, normal glycosylated plasma proteins levels, and long-term survival without secondary complications. Conversely, exogenous insulin or gene transfer for Ins or Gck alone failed to achieve complete correction of diabetes, indicating that the synergistic action of Ins and Gck are needed for full therapeutic effect. This demonstration of long-term correction of diabetic hyperglycemia has provided the first proof-of-concept in a large animal model for a gene transfer approach to treat diabetes and lays the foundations for the future translation of this approach to the clinic.