Desenvolupament d'una aproximació de teràpia gènica pel tractament de la malaltia de Niemann-Pick tipus C2

Abstract

La malaltia de Niemann-Pick tipus C2 (NPC2) és una malaltia minoritària d’acumulació lisosòmica (LSD, Lysosomal Storage Disease) d’herència autosòmica recessiva, causada per la deficiència de la NPC2. La proteïna NPC2 intervé en la sortida del colesterol no esterificat del compartiment endo-lisosòmic. La seva deficiència resulta en l’acumulació patològica del colesterol no esterificat als lisosomes, que condueix a la disfunció i mort cel·lular. Com a conseqüència, el pacients desenvolupen una patologia neurològica severa i de caràcter progressiu, que inclou l’atàxia cerebel·losa, la disàrtria, la disfàgia i la demència; així com una patologia als teixits somàtics relativament més lleu. Els pacients acostumen a morir durant la primera i la segona dècada de vida. Actualment, el tractament amb miglustat, una teràpia de reducció de substrat, és l’únic aprovat per al tractament de la NPC2, que presenta una eficàcia limitada. Així doncs, és necessari desenvolupar noves estratègies terapèutiques més eficaces per al tractament d’aquesta malaltia. La teràpia gènica in vivo basada en l’administració dels vectors virals adeno-associats (AAV, Adeno-Associated Virus) representa una alternativa prometedora, ja que una única administració del tractament permet aconseguir una eficàcia terapèutica a llarg termini. Per tant, l’objectiu d’aquesta tesi doctoral va ser el desenvolupament d’una aproximació de teràpia gènica basada en l’administració de vectors AAV de serotip 9 (AAV9) al líquid cefalorraquidi (LCR) per al tractament de la malaltia de NPC2. En primer lloc, es va caracteritzar un nou ratolí model de la malaltia, generat a partir de la disrupció del gen Npc2. Aquest model va recapitular les principals alteracions patològiques de la malaltia. A la segona part d’aquesta tesi doctoral, es va administrar els vectors AAV9 codificant per la proteïna Npc2 murina directament al LCR als ratolins Npc2-/- de 18 i 30 dies d’edat, quan la patologia ja estava establerta. La transferència gènica mitjançant el vector AAV9-Npc2 va conduir a una marcada reducció de l’acumulació del colesterol no esterificat i de la patologia lisosòmica al sistema nerviós central. Conseqüentment, es va assolir una millora de la mielinització, així com també una reducció de la neurodegeneració i la neuroinflamació. A més a més, part del vector administrat al LCR també va transduir el fetge, el qual va actuar com una bomba secretora de la proteïna i va permetre corregir les alteracions patològiques a la resta d’òrgans perifèrics. Finalment, el tractament amb AAV9-Npc2 va conduir a la normalització dels problemes locomotors, a una millora del pes corporal i a un increment molt marcat de l’esperança de vida. En conjunt, aquests resultats podrien esdevenir la base per a la futura translació clínica de l’aproximació de teràpia gènica mitjançant l’administració intra-LCR del vector AAV9-Npc2 per al tractament de la malaltia de NPC2.

La enfermedad de Niemann-Pick tipo C2 (NPC2) es una enfermedad minoritaria de acumulación lisosomal (LSD, Lysosomal Storage Disease) de herencia autosómica recesiva, causada por la deficiencia de la NPC2. La proteína NPC2 interviene en la salida del colesterol no esterificado del compartimento endo-lisosómico. Su deficiencia resulta en la acumulación patológica del colesterol no esterificado los lisosomas, que conduce a la disfunción y muerte celular. Como consecuencia, los pacientes desarrollan una patología neurológica severa y de carácter progresivo, que incluye la ataxia cerebelosa, la disartria, la disfagia y la demencia; así como una patología en los tejidos somáticos relativamente más leve. Los pacientes suelen morir durante la primera y la segunda década de vida. Actualmente, el tratamiento con miglustat, una terapia de reducción de sustrato es el único aprobado para el tratamiento de la NPC2, que presenta una eficacia limitada. Así pues, es necesario desarrollar nuevas estrategias terapéuticas más eficaces para el tratamiento de esta enfermedad. La terapia génica in vivo basada en la administración de los vectores virales adeno-asociados (AAV, Adeno-Associated Virus) representa una alternativa prometedora, ya que una única administración del tratamiento permite conseguir una eficacia terapéutica a largo plazo. Por lo tanto, el objetivo de esta tesis doctoral fue el desarrollo de una aproximación de terapia génica basada en la administración de vectores AAV de serotipo 9 (AAV9) en líquido cefalorraquídeo (LCR) para el tratamiento de la enfermedad de NPC2. En primer lugar, se caracterizó un nuevo ratón modelo de la enfermedad, generado a partir de la disrupción del gen NPC2. Este modelo recapituló las principales alteraciones patológicas de la enfermedad. En la segunda parte de esta tesis doctoral, se administró los vectores AAV9 codificante para la proteína NPC2 murina directamente al LCR los ratones NPC2-/- de 18 y 30 días de edad, cuando la patología ya estaba establecida. La transferencia génica mediante el vector AAV9-Npc2 condujo a una marcada reducción de la acumulación del colesterol no esterificado y de la patología lisosomal al sistema nervioso central. Consecuentemente, se logró una mejora de la mielinización, así como también una reducción de la neurodegeneración y la neuroinflamación. Además, parte del vector administrado al LCR también fue capaz de transducir el hígado, el cual actuó como una bomba secretora de la proteína y permitió corregir las alteraciones patológicas en el resto de órganos periféricos. Finalmente, el tratamiento con AAV9-Npc2 condujo a la normalización de los problemas locomotores, a una mejora del peso corporal y un incremento muy marcado de la esperanza de vida. En conjunto, estos resultados podrían ser la base para la futura traslación clínica de la aproximación de terapia génica mediante la administración intra-LCR del vector AAV9-Npc2 para el tratamiento de la enfermedad de NPC2.

Niemann-Pick type C2 (NPC2) disease is a rare autosomal recessive lysosomal storage disease caused by deficiency of the NPC2. NPC2 protein is involved in the egress of unesterified cholesterol from the endo-lysosomal compartment to other parts of the cell. Its deficiency leads to pathologic accumulation of cholesterol in lysosomes, which results in cellular damage and cell death. As a consequence, patients develop a severe, progressive neurological disorder, including cerebellar ataxia, dysarthria, dysphagia, and progressive dementia; as well as a relatively mild somatic pathology. Death usually occurs during the first or second decade of life. To date, only substrate reduction therapy with miglustat is approved for the treatment of NPC2, with limited efficacy. Thus, an efficient therapy for the treatment of NPC2 disease represents a highly unmet medical need. In vivo gene therapy with adeno-associated vectors (AAV) offers the possibility of lifetime treatment following a single administration. Therefore, the present work was focused on the development of a new gene therapy approach based on the delivery of AAV serotype 9 (AAV9) into the cerebrospinal fluid (CSF) for the treatment of the NPC2 disease. To this aim, the first part of this work consisted in the characterization of a new mouse model of the disease, generated by targeted disruption of the Npc2 gene, which recapitulated the main hallmarks of the disease. The second part of this work consisted in the assessment of efficacy of a single intra-CSF delivery of AAV9-Npc2 vectors to counteract NPC2 pathology in Npc2-/- mice treated at 18 or 30 days of age, when they already presented an established pathology. AAV9-mediated Npc2 gene transfer led to a significant decrease in unesterified cholesterol storage and lysosomal pathology in the central nervous system. Consequently, an increase of myelination, as well as a reduction in neurodegeneration and neuroinflammation was achieved. Moreover, after AAV9-Npc2 delivery into the CSF, vectors also transduced the liver, providing a peripheral source of the therapeutic protein that corrected cholesterol storage and lysosomal pathology in visceral organs of treated mice. Finally, AAV9-Npc2 treatment also resulted in normalization of locomotor deficits, improved body weight and considerably prolonged the survival of treated Npc2-/- mice. Altogether, the results obtained in the present work supports the clinical translation of the intra-CSF AAV9-Npc2 gene therapy for the treatment of NPC2 disease.