Desenvolupament d’una estratègia de teràpia gènica pel tractament de la patologia neurològica i somàtica de la MPSIIIA

Abstract

La Mucopolisacaridosi tipus IIIA (MPSIIIA) o Síndrome de Sanfilippo és una malaltia d’acumulació lisosòmica (o Lysosomal Storage Disease, LSD) d’herència autosòmica recessiva, causada per la deficiència de l’enzim sulfamidasa (Sgsh). Aquesta sulfatasa està involucrada en la degradació del glicosaminoglicà (GAG) heparan sulfat, el qual s’acumula als lisosomes de les cèl·lules. Els signes i símptomes clínics de la MPSIIIA es caracteritzen per una severa neurodegeneració juntament amb unes alteracions somàtiques més lleugeres que provoquen la mort durant l’adolescència. Actualment no hi ha cap teràpia efectiva aprovada pel tractament d’aquesta malaltia. En primer lloc, es va dur a terme una sèrie d’estudis per tal de determinar l’eficàcia terapèutica de l’administració a dins la cisterna magna d’un virus adenoassociat (o Adenoassociated Vector, AAV) de serotip 9 codificant per a la sulfamidasa en un model murí de la malaltia, el ratolí MPSIIIA. L’administració del vector va resultar en un increment de l’activitat sulfamidasa a tot l’encèfal, que va ser al voltant d’un 40% de l’activitat present al cervell d’un animal sa. Aquest increment de sulfamidasa va portar a una normalització del contingut de GAGs i de la patologia lisosòmica a tot el cervell. Cal destacar especialment la completa correcció de la neuroinflamació, característica d’aquest model animal i de la MPSIIIA humana. D’altra banda, es va verificar un augment de l’activitat sulfamidasa al fetge i al sèrum dels animals tractats, augment relacionat amb el fet que els vectors drenen des del Líquid Cefaloraquidi (LCR) cap a la sang i arriben a transduir el fetge. Aquest augment de la sulfamidasa circulant va resultar en la reducció de l’acumulació de GAGs fins a nivells normals a la majoria dels teixits analitzats. Finalment, el tractament va aconseguir corregir els dèficits de comportament dels animals MPSIIIA i va perllongar considerablement la seva supervivència, que va ser similar a la d’animals sans. A més a més d’aquest estudis, es va realitzar un exhaustiu estudi de dosi-resposta per tal de determinar la mínima dosi terapèutica necessària per contrarestar la malaltia, i així com també la màxima edat de tractament que permet assolir eficàcia terapèutica abans que la malaltia no provoqui danys irreversibles. Els resultats d’aquesta part han constituït la base de l’atorgament l’any 2011 de la condició de medicament orfe per part de l’Agència Europea del Medicament i la Food and Drug Administration a l’AAV9-sulfamidasa. La segona part de l’estudi es va centrar en demostrar l’escalabilitat de l’aproximació a models animals grans, pas fonamental per a la translació d’aquesta teràpia cap a la clínica en pacients. Així doncs, es va avaluar en gossos la distribució del vector a tot el Sistema Nirviós Central (SNC), Sistema Nerviós Perifèric (SNP) i en òrgans somàtics. A més a més, es va avaluar l’efecte sobre l’eficiència de transducció del vector segons la velocitat d’infusió i la ruta d’administració. Finalment, es va demostrar l’eficient producció i secreció de sulfamidasa al LCR dels animals tractats amb vector codificant per a l’enzim, així com la seguretat del tractament desprès d’un seguiment de >16 mesos. Els anticossos neutralitzants (o neutralyzing antibodies, NAbs) dirigits contra el vector viral suposen la principal limitació per a l’eficàcia de la transferència gènica. Per tant, l’última part d’aquesta tesi va avaluar l’impacte de la immunitat humoral anti-AAV en l’eficiència de transducció dels vectors AAV9 quan són administrats directament al LCR. Primer es va dur a terme un estudi per analitzar la distribució dels NAbs a través de la barrera hemato-encefàlica en individus sans i afectats per la MPSIIIA, així com també en tots el gossos tractats. Així es va confirmar la distribució asimètrica dels anticossos, presents a títols molt més baixos al LCR respecte el sèrum. Aquests resultats van concordar amb l’observació de l’eficient transducció del SNC i del PNS en gossos amb immunitat anti-AAV prèvia quan se’ls administrava el vector directament al LCR, tot i que, com caldria esperar, es va perdre l’eficàcia en teixits perifèrics. Tenint en compte que la MPSIIIA és una malaltia predominantment neurodegenerativa, aquest resultats indiquen que es podrien tractar pacients amb anticossos neutralitzants. Tots aquests resultats constitueixen la base preclínica per a la translació cap a la clínica de l’administració al líquid cefaloraquidi d’AAV9-sulfamidasa com a tractament per a la MPSIIIA, com també per altres LSDs amb afectació, principalment, del SNC.

Mucopolysaccharidosis Type IIIA (MPSIIIA) or Sanfilippo Syndrome is an autonomic recessive lysosomal storage disease (LSD) caused by the deficiency in the enzyme sulfamidase (SGSH). This sulfatase is involved in the sptepwise degradation of the glycosaminoglycan (GAG) heparan sulphate (HS), and its deficiency results in the accumulation of HS inside the lysosomes of cells. The disease is characterized by severe neurodegeneration, with mild somatic pathology, that leads to the death of most patients during adolescence. Currently, there is no approved therapy for the treatment of MPSIIIA. In the first part of this work a series of studies were performed aimed at demonstrating the therapeutic efficacy of the intracisternal administration of adeno-associated (AAV) vectors of serotype 9 (AAV9) coding for the enzyme sulfamidase to a mouse model of the disease, the MPSIIIA mouse. Vector delivery resulted in an increase in sulfamidase activity throughout the encephalon, with levels that were approximately 40% of those observed in healthy subjects. This restoration of sulfamidase activity led to the normalization of the content of GAGs and the lysosomal pathology in the whole brain. Noticeably, the neuroinflammation that characterizes the MPSIIIA disease in humans and in this animal model was completely reversed. On the other hand, an increase in sulfamidase activity was documented in the liver and serum of treated animals, and this correlated with the drainage of vectors from the cerebrospinal fluid (CSF) into the circulation, and transduction of the liver. This increase in circulating sulfamidase resulted in a reduction to normal levels in the accumulation of GAGs in the vast majority of tissues analysed. Finally, the treatment managed to correct the behavioural deficits of MPSIIIA mice and prolonged their survival, allowing treated MPSIIIA mice to live as long as their healthy littermates. In addition, several other studies were performed to try and identify the minimum therapeutic dose necessary to counteract the disease, as well as the maximum age at treatment that allows the achievement of therapeutic efficacy before the disease causes irreversible damage. The results of the present work have constituted the basis for the granting, in 2011, of the Orphan Drug Status to AAV9-sulfamidase by the European Medicines Agency (EU) and the Food and Drug Administration (USA). The second part of this work was focused on demonstrating the scalability of the approach to a large animal model, a crucial step for the translation of this therapy to the clinic. In this regard, the biodistribution following administration of vectors to the CSF of Beagle dogs was analysed in the central and peripheral nervous systems and in somatic organs. In addition, studies were conducted to evaluate the effects on transduction efficacy of the rate of vector infusion or the route of administration to the CSF. Finally, the efficient production of sulfamidase and secretion to the CSF was demonstrated in all treated dogs, as well as the safety of the treatment after a follow-up of more than 16 months. Neutralizing antibodies (NAbs) against the viral vector represent the main limitation to the efficacy of gene transfer. Therefore, the final part of this thesis work was dedicated to the evaluation of the impact of anti-AAV humoral immunity on the efficiency of transduction of vectors when they are delivered directly to the CSF. First, a study was performed to analyse the distribution of NAbs across the blood-brain barrier in healthy and MPSIIIA-affected individuals, as well as in all treated dogs, confirming the asymmetrical distribution of NAbs, which had much lower titers in CSF than in serum. These results agreed with the observation of efficient CNS and PNS transduction following the intra-CSF delivery of AAV9 vectors to dogs with pre-existing immunity against the vector, although, as expected, transduction of peripheral organs was completely abolished. Taking into account that MPSIIIA is primarily a neurodegenerative disease, these studies suggest that it would be feasible to treat patients’ bearers of neutralizing antibodies. Altogether these results constitute the preclinical base for the clinical translation of the intra-CSF administration of AAV9-sulfamidase for the treatment of MPSIIIA, as well as for other LSD that course with neurodegeneration.