Intrathecal administration of AAVrh10 coding for β‐glucuronidase corrects biochemical and histological hallmarks of mucopolysaccharidosis type VII mice and improves behavior and survival

Abstract

La mucopolisacaridosi tipus VII (MPS VII) és una malaltia monogènica molt rara inclosa en el grup de malalties lisosòmiques. Està causada per la manca d’activitat β-­‐ glucuronidasa, un enzim lisosòmic involucrat en la via de degradació de glicosaminoglicans. Aquesta alteració congènita causa una disfunció del sistema lisosòmic que provoca una acumulació anormal als lisosomes i la disrupció de l’homeòstasi de la cèl·lula. La malaltia presenta diferents graus de severitat clínica que van des de la mort prenatal fins a pacients amb formes lleus i una esperança de vida de 20 o 30 anys. Entre els casos que presenten un inici postnatal de la malaltia, la forma més severa de MPS VII es caracteritza per hepatomegàlia, esplenomegàlia, anomalies esquelètiques, desenvolupament tardà i retard mental, entre altres símptomes. Actualment els tractaments per als pacients de MPS VII són intervencions per pal·liar els símptomes de la malaltia, però no disposen de cap tractament curatiu. La teràpia gènica és una estratègia prometedora de cara a trobar una cura per a malalties monogèniques. Entre els vectors de teràpia gènica disponibles, els virus adeno-­‐associats (AAV) presenten certes característiques que els fan molt atractius per a la teràpia gènica: permeten la transducció tant de cèl·lules en divisió com quiescents, proporcionen una expressió del transgèn a llarg termini, no poden replicar-­‐se de manera autònoma sense un virus accessori i, a més, les infeccions naturals dels AAV no són patogèniques. Diferents serotips d’AAV s’han utilitzat com a vectors de teràpia gènica en estudis preclínics. Entre ells, els serotips AAV9 i AAVrh10 són els que presenten una capacitat de transducció més gran, així com una gamma més àmplia de tipus cel·lulars que poden transduir, especialment al sistema nerviós central. El serotip AAVrh10 no és d’origen humà. Per això, el fet d’utilitzar-­‐lo com a vector de teràpia gènica podria evitar la neutralització per part dels factors immunològics específics contra AAV, factors que són presents en el sèrum humà després d’infeccions d’AAV naturals. Tanmateix, el reconeixement creuat per part d’anticossos generats contra AAV2, el serotip humà més comú, podrien interferir en el resultat de la teràpia. En aquest treball es proposa una estratègia de teràpia gènica per a MPS VII basada en una única injecció intratecal d’un vector AAVrh10 que conté el gen de la β-­‐ glucuronidasa, testada en ratolins MPS VII adults joves. Es mostra que l’administració del vector al líquid cefaloraquidi (LCR) per punció lumbar, una tècnica molt poc invasiva, permet la transducció d’estructures del sistema nerviós central (SNC) utilitzant una dosi de vector més baixa que mitjançant injecció intravenosa. A més, el drenatge del vector del LCR cap al torrent sanguini comporta la transducció d’òrgans somàtics com el fetge. Això genera una font de β-­‐glucuronidasa que aconsegueix una activitat enzimàtica en sèrum comparable a la de ratolins sans. L’expressió sostinguda de l’enzim recombinant per part de les cèl·lules transduïdes, així com la correcció creuada deguda a la secreció de l’enzim, aconsegueixen la correcció de les característiques bioquímiques i histopatològiques de la malaltia, tant al SNC com als òrgans somàtics. Aquesta correcció a nivell cel·lular condueix a una millora significativa de les capacitats físiques, cognitives i emocionals dels ratolins MPS VII i aconsegueix doblar la seva esperança de vida.

Mucopolysaccharidosis type VII (MPS VII) is an ultrarare monogenic lysosomal storage disease. It is caused by the lack of β-­‐glucuronidase activity, a lysosomal enzyme involved in the degradation pathway of glycosaminoglycans. This inborn genetic alteration causes a dysfunction of the lysosomal system that entails abnormal lysosomal storage and disruption of cell homeostasis. The disease presents a range of clinical severity among patients, from death in utero to a life expectancy of up to 20 or 30 years for the milder forms. The severe form of MPS VII among cases with postnatal disease onset is characterized by hepatosplenomegaly, skeletal abnormalities, developmental delay and mental retardation, among other symptoms. Currently, the only treatments for MPS VII patients are interventions to alleviate the symptoms, but no curative treatment is available. Gene therapy is a promising therapeutic approach to find a cure for monogenic diseases. Among the available gene delivery vectors, adeno-­‐associated viruses (AAVs) present several features that make them attractive for gene therapy strategies: they are able to transduce dividing and quiescent cells, they provide long term expression of the transgene, they are not able to autonomously replicate without a helper virus, and wild type AAV infections are not pathogenic. Different AAV serotypes have been used as gene therapy vectors in preclinical studies. Among them, AAV9 and AAVrh10 are the serotypes which show greater transduction capacity and a broader range of cell-­‐type specific tropism, particularly in the central nervous system. The use of AAVrh10, a non-­‐human serotype, may avoid the neutralization by anti-­‐AAV immune factors present in human sera after natural AAV infections. However, cross-­‐reactivity with antibodies raised against AAV2, the most common human AAV serotype, may still interfere in the therapeutic outcome. In this work, we propose a gene therapy strategy for MPS VII based on a single intrathecal injection of an AAVrh10 coding for the β-­‐glucuronidase gene, tested in young adult MPS VII mice. We show that vector delivery to the CSF by lumbar puncture, a poorly invasive technique, allows the transduction of CNS structures using a lower vector dose than by intravenous delivery. In addition, the drainage of the vector from the CSF to the bloodstream results in transduction of somatic organs such as liver, thus providing a systemic β-­‐glucuronidase source that achieves serum enzymatic activity comparable to wild type mice. The sustained recombinant enzyme expression by AAV-­‐transduced cells, and the cross-­‐correction provided by enzyme secretion, attains the correction of biochemical and histopathological hallmarks of the disease in CNS and somatic organs. This correction at the cellular level leads to a significant improvement of physical, cognitive and emotional characteristics of MPS VII mice and a doubling of the MPS VII mouse life span.