Ingeniería genética del tejido adiposo o del músculo esquelético mediante vectores aav-fgf21 para el tratamiento de la diabetes y la obesidad

Abstract

La obesidad y la diabetis tipo 2 (DT2) se consideran las dos grandes epidemias del siglo XXI. A pesar del grave problema de salud, económico y social que representan, actualmente no existen terapias completamente efectivas. Asimismo, los tratamientos farmacológicos que se utilizan, frecuentemente presentan importantes efectos secundarios, por lo que es necesario encontrar nuevas aproximaciones terapéuticas para combatir estas epidemias. Recientemente se ha descrito el factor de crecimiento fibroblástico (FGF21) como un prometedor agente terapéutico tanto para la obesidad como la DT2. FGF21 ejerce su función endocrina en múltiples tejidos diana, regulando la homeostasis energética. Multitud de aproximaciones terapéuticas se han centrado en el desarrollo de péptidos análogos o miméticos que mejoren sus propiedades farmacocinéticas. No obstante, la introducción de modificaciones en la molécula nativa no sólo puede inducir reacción inmunitaria, sino que tampoco evitan su administración periódica. La terapia génica presenta una gran ventaja respecto a estas estrategias terapéuticas, ya que permiten alcanzar niveles circulantes elevados y constantes de la proteína nativa mediante una única administración. Por ello, en esta tesis doctoral se utilizaron vectores virales adenoasociados (AAV) con la finalidad de transducir el músculo esquelético o el tejido adiposo, a fin de mediar elevados niveles circulantes de FGF21 para contrarrestar la obesidad y la DT2. La administración local de vectores AAV de serotipo 9 codificantes para FGF21 (AAV9-FGF21) en el tejido adiposo epididimal incrementó los niveles circulantes de FGF21 y previno la obesidad y la resistencia a la insulina inducidas por una dieta alta en lípidos en ratones. Asimismo, la administración local de vectores AAV8-FGF21 en el tejido adiposo también fue capaz de revertir la obesidad y la resistencia a la insulina en ratones ob/ob. Los animales tratados con vectores AAV-FGF21 mostraron un incremento del gasto energético y una reducción del depósito de lípidos en el tejido adiposo y en el hígado, así como menor inflamación en los mismos. La administración local de vectores AAV1-FGF21 en el músculo esquelético de ratones obesos y resistentes a la insulina medió resultados similares a los obtenidos mediante la administración de los vectores AAV8 y AAV9-FGF21 en el tejido adiposo. Además, la sobreexpresión de FGF21 en el músculo esquelético y, el consiguiente aumento de los niveles circulantes de FGF21, previnieron el desarrollo de hepatocarcinomas inducidos por el consumo crónico de una dieta alta en lípidos. Además, la administración de vectores AAV1-FGF21 en el músculo esquelético medó un envejecimiento más saludable de ratones controles, lo que se evidenció por el mantenimiento del peso corporal, una menor adiposidad y niveles de triglicéridos en hígado disminuidos así como una mejora de la resistencia a insulina mediada por la edad. En conclusión, en esta tesis doctoral se ha demostrado que la ingeniería genética del tejido adiposo y del músculo esquelético mediante vectores AAV codificantes para FGF21 permitió prevenir y revertir la obesidad y la DT2 en modelos murinos obesos y de resistencia a la insulina. Además, el tratamiento con AAV-FGF21 en animales controles promovió que estos animales envejecieran de manera más saludable. Estos resultados proporcionan las bases para la traslación clínica de estas aproximaciones de terapia génica para el tratamiento de la DT2, la obesidad y sus comorbilidades asociadas en humanos en el futuro.

Obesity and type 2 diabetes (T2D) are considered the epidemics of the 21st century. Despite the serious health, economic and social problems they represent, no completely effective therapies are available nowadays. Moreover, the current pharmacological treatments display important sides effects. Thus, there is a need to find new therapeutic approaches to combat these epidemics. Fibroblast growth factor 21 (FGF21) is considered a promising therapeutic agent against obesity and T2D. FGF21 exerts its endocrine function on multiple target tissues, regulating energy homeostasis. Many therapeutic approaches have focused on the development of analogue or mimetic peptides with improved pharmacokinetic properties. However, modifications of the native FGF21 can induce an immune reaction and do not avoid periodic administration. Gene therapy has a great advantage over these therapeutic strategies, since it allows reaching high and steady circulating levels of the native protein through a single administration. Therefore, this doctoral thesis used adeno-associated viral vectors (AAV) in order to transduce skeletal muscle or adipose tissue to mediate high circulating levels of FGF21 to counteract obesity and T2D. Local administration of AAV vectors of serotype 9 encoding FGF21 (AAV9-FGF21) in epididymal white adipose tissue increased circulating levels of FGF21 and prevented obesity and insulin resistance induced by a high fat diet (HFD) in mice. Likewise, local administration of AAV8-FGF21 vectors in adipose tissue was also able to reverse obesity and insulin resistance in ob/ob mice. Animals treated with AAV-FGF21 vectors showed increased in energy expenditure and reduction of lipid deposition in adipose tissue and in the liver, as well as lower inflammation in both tissues. Local administration of AAV1-FGF21 vectors in skeletal muscle of obese and insulin-resistant mice mediated similar results to those obtained by administration of AAV8 and AAV9-FGF21 vectors in adipose tissue. In addition, overexpression of FGF21 in skeletal muscle, and the subsequent increase in circulating levels of FGF21, prevented the development of hepatocarcinomas induced by the chronic intake of HFD. Furthermore, the administration of AAV1-FGF21 vectors in skeletal muscle expands healthspan in control mice, what was evidenced by the maintenance of body weight, lower adiposity and triglyceride levels in the liver as well as improved age-realated insulin resistance. In conclusion, the results of this doctoral thesis demonstrated that genetic engineering of adipose tissue and skeletal muscle using AAV vectors coding for FGF21 allowed to prevent and reverse obesity and T2D in murine models of obesity and insulin resistance. In addition, treatment with AAV-FGF21 in control animals improved healthspan. These results provide the basis for the clinical translation of these gene therapy approaches for the treatment of T2D, obesity and their associated comorbidities in humans in the future.