Gene therapy for the treatment of neurologic and somatic mucopolysaccharidosis type II (hunter syndrome)

Abstract

La Mucopolisacaridosis tipus II (MPSII), o síndrome de Hunter, és una malaltia d’acumulació lisosòmica d’herència recessiva lligada al cromosoma X i està causada per la deficiència de l’Iduronat-2-sulfatasa (IDS), enzim que actua en la via de degradació dels glicosaminoglicans (GAGs) heparan sulfat (HS) i dermatan sulfat (DS). Aquests GAGs no degradats s’acumulen als lisosomes de manera patològica, causant disfunció cel·lular. La forma més severa i també més prevalent de la MPSII es caracteritza per una neurodegeneració crònica i progressiva del sistema nerviós central (SNC) acompanyada de disfunció multisistèmica. Com a conseqüència, els pacients de MPSII solen morir durant la segona dècada de vida. Actualment, la única opció terapèutica disponible pels pacients amb Hunter és la teràpia de substitució enzimàtica (TSE), la qual consisteix en la infusió setmanal de l’enzim recombinant. No obstant, degut a la presència de la barrera hemato-encefàlica, la TSE no és efectiva en la correcció del deteriorament neurològic, a més de presentar altres inconvenients. Per tant, el desenvolupament d’una teràpia eficient pel tractament de la patologia neurodegenerativa característica de la MPSII és una necessitat mèdica no coberta. La teràpia gènica in vivo basada en l’administració de vectors virals derivats dels virus adeno-associat (AAV) representa una alternativa atractiva pel tractament d’aquesta malaltia, ja que ofereix la possibilitat d’obtenir benefici terapèutic de per vida després d’una única administració del producte terapèutic. Així doncs, la present tesi doctoral s’ha centrat en el desenvolupament d’una estratègia de teràpia gènica per a la MPSII basada en l’administració de vectors directe al líquid cefaloraquidi (LCR) amb la finalitat de tractar simultàniament tant la patologia neurologia com la somàtica de la malaltia. Mitjançant un procediment poc invasiu, es van administrar vectors AAV de serotip 9 (AAV9) que contenien el gen murí Ids (AAV9-Ids) al LCR de ratolins MPSII de 2 mesos d’edat, els quals ja presentaven una patologia ben establerta tant a nivell del SNC com a nivell somàtic. Transcorreguts 4 i 8 mesos després de l’administració, es va avaluar l’eficàcia del tractament en contrarestar la patologia de la MPSII. A nivell del SNC, l’augment d’activitat enzimàtica IDS obtinguda mitjançant el tractament va donar lloc a la completa correcció de les lesions lisosomals característiques a la MPSII. El tractament també va donar lloc a la correcció de la disfunció lisosomal del SNC, a la normalització de l’expressió gènica del cervell i a la eradicació de la neuroinflamació característica de la malaltia. A més, mitjançant l’administració al LCR, vectors AAV9-Ids també van transduir el fetge, convertit aquest òrgan en una font de la proteïna terapèutica a nivell perifèric. En conseqüència, l’enzim IDS produït al fetge de ratolins MPSII tractats va donar lloc a la correcció de la patologia somàtica. A més, la reversió de la patologia observada en aquells teixits somàtics no transduits pel vector AAV9-Ids va evidenciar el mecanisme de correcció creuada aconseguit mitjançant l’enzim IDS circulant. A banda d’aquests efectes, el tractament també va comportar una normalització de les alteracions de comportament característiques de la malaltia, així com també un augment significatiu de la supervivència dels ratolins MPSII. L’eficàcia obtinguda mitjançant l’administració de vectors AAV9 que contenien la seqüència codificant humana IDS també es va avaluar en ratolins MPSII. Després de 1,5 mesos de tractament, es va observar un increment en l’activitat IDS al cervell, fetge i sèrum, fet que va donar lloc a la correcció del contingut de GAGs tant a nivell del SNC com a nivell somàtic. Conjuntament, els resultats obtinguts en aquest treball recolzen la translació clínica de l’aproximació de teràpia gènica basada en l’administració al LCR de vectors AAV9-IDS pel tractament de pacients de Hunter amb afectació neurològica.

Mucopolysaccharidosis type II (MPSII), or Hunter syndrome, is an X-linked recessive lysosomal storage disease (LSD) caused by the deficiency in Iduronate-2-sulfatase (IDS), an enzyme involved in the stepwise degradation of the glycosaminoglycans (GAGs) heparan sulfate (HS) and dermatan sulfate (DS). The pathological accumulation of undegraded HS and DS in the lysosomes leads to cell dysfunction, causing severe neurologic and somatic disease. The most severe and most prevalent form of Hunter syndrome is characterized by chronic and progressive neurodegeneration of the central nervous system (CNS) and multisystem dysfunction; patients usually die during the second decade of life. To date, weekly intravenous enzyme replacement therapy (ERT) constitutes the only approved therapeutic option for MPSII. However, the inability of recombinant IDS to efficiently cross the blood-brain barrier (BBB) limits the efficacy of ERT in treating neurological symptoms. The therapy has several other drawbacks. Thus, an efficient therapy for the treatment of the neurodegeneration of MPSII disease represents a highly unmet medical need. In vivo gene therapy with adeno-associated vectors offers the possibility of lifelong therapeutic benefit following a single administration. Therefore, the present work was focused on the development of a new gene therapy approach for MPSII based on the delivery of vectors to the cerebrospinal fluid (CSF) and aimed at counteracting simultaneously the neurological and somatic pathology characteristic of the disease. Adeno-associated virus serotype 9 vectors (AAV9) containing the murine Ids gene were administered through a minimal invasive procedure to the CSF of 2-month-old MPSII mice, which already presented established pathology. The efficacy of AAV9-Ids vectors to counteract MPSII pathology after a single intra-CSF injection was evaluated 4 and 8 months after treatment. AAV9-mediated Ids gene transfer led to a significant increase in IDS activity throughout the encephalon, which resulted in full reversion of lysosomal storage lesions. In addition, correction of lysosomal dysfunction in the CNS, normalization of brain transcriptomic signature and disappearance of neuroinflammation were achieved after gene transfer. Moreover, after AAV9-Ids delivery to the CSF, vectors also transduced the liver, providing a peripheral source of the therapeutic protein that corrected storage pathology in visceral organs of treated MPSII mice. The reversion of the pathology in non-transduced somatic organs provided evidence of cross-correction by circulating enzyme. Importantly, AAV9-Ids treatment also resulted in normalization of behavioural deficits and considerably prolonged the survival of treated MPSII mice. The efficacy of the intra-CSF administration of AAV9 vectors containing the human IDS coding sequence was also evaluated in MPSII mice. One and a half months after gene transfer, a significant increase in IDS activity was documented throughout the encephalon, an in the liver and serum of treated MPSII mice. Consequently, pathological GAG content was reduced, or even normalized, in the CNS and in most somatic tissues of MPSII mice that received the vectors. Altogether, the results obtained in the present work provide a strong proof of concept that supports the clinical translation of the intra-CSF AAV9-IDS gene therapy for the treatment of Hunter patients with cognitive impairment.