Terapia génica lentiviral en ratones SCA3: Seguridad a largo plazo

Escrito por la Dra. Ambika Tewari Editado por la Dra. Hayley McLoughlin. Publicado inicialmente en el 6 de agosto de 2021. Traducción al español fueron hechas por FEDAES.

La expresión lentiviral de un ARNhc contra ataxina-3 fue bien tolerada y no produjo efectos adversos medibles en ratones de tipo salvaje.

La evaluación del perfil de seguridad es un paso necesario y crucial para calificar una terapia para su uso en pacientes. La terapia génica es una técnica experimental que ha demostrado un enorme progreso en el tratamiento o la reversión de una enfermedad, específicamente los trastornos monogénicos.

Es importante investigar con detenimiento la seguridad y la tolerancia de la terapia génica para evaluar su idoneidad para los ensayos clínicos. Las herramientas de terapia génica se pueden utilizar de diferentes maneras para lograr el mismo efecto terapéutico: el gen defectuoso se puede reemplazar con una copia sana, el gen mutado se puede reparar o la copia mutante del gen se puede silenciar.

La ataxia espinocerebelosa tipo 3 (SCA3) o enfermedad de Machado-Joseph (MJD) causa una pérdida progresiva de neuronas en la médula espinal y en varias regiones del cerebro. Esto incluye el cerebelo, tronco encefálico, cuerpo estriado y sustancia negra. Estas neuronas tienen funciones cruciales. Sin estas neuronas, los pacientes experimentan descoordinación motora, pérdida del equilibrio y, en casos graves, muerte prematura.

Si bien se sigue logrando un gran progreso en la comprensión de cómo una mutación en un solo gen, Ataxin-3, causa los síntomas de SCA3, todavía no existe un tratamiento para detener la progresión de la enfermedad. Como trastorno monogénico, SCA3, al igual que otras ataxias espinocerebelosas (SCA), es un candidato prometedor para la terapia génica. Si bien aún no existen terapias génicas aprobadas para la SCA, existen varios laboratorios de investigación y empresas que trabajan para lograr este objetivo.

An artist's drawing of scientists standing infront of a giant piece of DNA and drugs
Este es un momento verdaderamente emocionante para la terapia génica, pero también es importante mantener la seguridad de los pacientes como una prioridad absoluta. Foto utilizada bajo licencia por Visual Generation / Shutterstock.com .

Los investigadores de este estudio han estado trabajando en la terapia génica para SCA3 desde 2008. Han investigado cómo la terapia génica podría ofrecer protección contra una mayor disminución, en varios modelos de células y ratones de SCA3. Utilizaron un enfoque en el que disminuyeron los niveles del gen Ataxin-3 mutante mientras dejaban intacto el gen Ataxin-3 normal. Esto se conoce como focalización específica de alelos. Demostraron que utilizando esta técnica, podrían reducir significativamente los cambios de comportamiento y neuropatológicos que ocurren en ratones SCA3. Los ratones tratados con la terapia génica mostraron mejoras en su equilibrio y coordinación motora.

La terapia génica en su forma más básica involucra dos componentes, el gen que reemplazará o eliminará el gen enfermo y un vector que transportará este nuevo gen a su sitio de acción. Los vectores más comúnmente utilizados en la actualidad son los virus adenoasociados (AAV) seguidos por los retrovirus. Estos virus se han diseñado específicamente para llevar a su pasajero a la ubicación especificada. Si bien ambos vectores han pasado por varios años de pruebas preclínicas y clínicas para numerosos candidatos a terapia génica, quedan preguntas sobre su seguridad. (1) ¿El producto de terapia génica continúa expresándose en el área objetivo a largo plazo? (2) Si hay expresión a largo plazo, ¿causa algún efecto adverso mensurable en el área objetivo? (3) ¿La expresión a largo plazo afecta el funcionamiento normal de las células / órganos diana?

En este estudio actual, los investigadores probaron sistemáticamente la seguridad de reducir los niveles de Ataxin-3 mutante específicamente en el cuerpo estriado de ratones adultos de tipo salvaje. El gen, un ARN en horquilla corto (ARNhc) que reduce el nivel de la proteína ataxina-3 mutante, se empaquetó en un vector. El vector utilizado en este estudio es un lentivirus. Este es un tipo de retrovirus que infecta las células que no se dividen, como las neuronas del cerebro. Por lo tanto, cuando el vector lentivirus se inyecta en el cerebro, transporta su carga de ARNhc a las neuronas.

Como control experimental, este estudio utilizó tanto ratones que no fueron inyectados como ratones inyectados con una sustancia inerte en las mismas dos ubicaciones que el shRNA. Dado que los ratones de tipo salvaje no expresan ataxina-3 mutada, este estudio solo analiza los efectos a largo plazo de expresar el lentivirus con el ARNhc.

En tres puntos de tiempo diferentes (2, 8 y 20 semanas después de la inyección o administración del vector y su carga de ARNhc) se sacrificaron los ratones. Luego, se recolectaron y analizaron sus cerebros. Una característica importante de cualquier producto de terapia génica es su perfil de expresión. Esto incluye información como su distribución tisular hasta la duración de su expresión. El ARNhc contra la ataxina-3 mutante contenía un informador. Este informe permitiría identificar cualquier célula con ARNhc al final del estudio en vida. Los cerebros se seccionaron en rodajas muy delgadas para que las proteínas específicas de las células pudieran marcarse con el uso de anticuerpos. A las 2 semanas, algunas células expresaron la proteína informadora, y la expresión aumentó progresivamente a las 8 semanas e incluso más a las 20 semanas después de la entrega del gen. Estos datos mostraron una expresión estable y a largo plazo del ARNhc.

Una preocupación en la terapia génica es si la expresión a largo plazo del gen puede inducir consecuencias desfavorables para las células del cerebro. Usando anticuerpos para marcar las proteínas neuronales, los autores encontraron que, si bien 2 semanas después de la inyección había una pérdida clara de neuronas en el lugar de la inyección, en los puntos de tiempo posteriores, esta pérdida ya no era aparente. Los autores del estudio propusieron que esta recuperación podría deberse al nacimiento de nuevas neuronas y / o al proceso de brote neuronal donde las neuronas generan ramas adicionales que hacen contacto con las neuronas vecinas.

Un factor limitante importante para la terapia génica es la respuesta inmune del huésped, que se activa cuando el cuerpo ve al nuevo vector como un invasor extraño. En este estudio, los investigadores observaron señales inflamatorias en el cerebro. La microglía y los astrocitos son dos tipos de células en el cerebro que se activan tras una lesión e inflamación. La actividad astrocítica y microglial aumentó poco después de la inyección solo en animales donde se inyectó el ARNhc contra la ataxina-3 mutante. A las 8 y 20 semanas, sus niveles volvieron a los niveles observados en los ratones no inyectados. Un tipo especial de proteínas inflamatorias, conocidas como citocinas, se elevaron después de la inyección, pero también volvieron a los niveles de control a las 20 semanas. Juntos, los resultados mostraron que incluso cuando la inflamación se desencadenó al principio del curso de la terapia, se disipó,

Este fue un estudio cuidadosamente realizado para evaluar el perfil de seguridad de un candidato a terapia génica para SCA3. En su estudio anterior de prueba de concepto, los autores demostraron que la reducción de los niveles de Ataxin-3 mutante mejoró varias características anormales en modelos de ratón SCA3. Este estudio actual muestra que el uso de este agente terapéutico en ratones de tipo salvaje es seguro hasta 20 semanas después de la administración de la terapia génica. Si bien este estudio utilizó una inyección localizada del agente de terapia génica solo en el cuerpo estriado, varias regiones del cerebro se ven afectadas en SCA3. Es necesario un estudio adicional que utilice una ruta de administración que se dirija a múltiples regiones del cerebro para evaluar el perfil de seguridad.

Son necesarios estudios futuros para caracterizar el perfil de expresión y la seguridad en primates no humanos. La vía de administración sería similar a la de los pacientes humanos, lo que permitiría que los resultados fueran más traducibles para ensayos clínicos. Este es un momento verdaderamente emocionante para la terapia génica, pero también es importante mantener la seguridad de los pacientes como una prioridad absoluta.

Términos clave

Gen: una unidad de la herencia que contiene nuestro ADN, el código que controla el desarrollo y la función de nuestro cuerpo.

Monogénico: trastorno o enfermedad involucrada o controlada por un solo gen.

Vector: un modo de transporte para llevar material genético extraño a otra célula.

ARN: ácido nucleico que transporta instrucciones del ADN para producir proteínas.

ARN en horquilla corta: un tipo de ARN plegado en una estructura en horquilla que puede apuntar a los genes y silenciarlos.

Declaración de conflicto de intereses

El autor y el editor declaran no tener ningún conflicto de intereses.

Cita del artículo revisado

Nóbrega, C, et al. RNA interference therapy for Machado-Joseph Disease: Long-term safety profile of lentiviral vectors encoding short hairpin RNAs targeting mutant Ataxin-3. Human Gene Therapy, 2019. 30:7 https://doi.org/10.1089/hum.2018.157

“Expanding” the therapeutic promise for SCA1

Written by Dr. Judit M Perez Ortiz Edited by Dr. Maria do Carmo Costa

A druggable target in Spinocerebellar Ataxia type 1 (SCA1) shows promise in treating cerebellar and non-cerebellar aspects of disease.

Spinocerebellar Ataxia type 1 (SCA1) is a neurodegenerative disease that typically starts with coordination difficulties (ataxia) in mid- to late-adulthood, worsens over time, and shortens life expectancy. SCA1 runs in families, as it is caused by a genetic mutation in a gene called Ataxin-1. The gene’s instructions make a protein conveniently also termed “ataxin-1”. Healthy ataxin-1 is important in orchestrating important processes in brain cells. 

In SCA1, mutant ataxin-1 drives disease by affecting these important cellular processes. In patients with SCA1, their ataxin-1 protein has a polyglutamine repeat expansion mutation that makes the protein behave in toxic ways. The disarray caused by mutant ataxin-1 protein slowly deteriorates and ultimately compromises the health of the brain areas involved. Research on this topic is very rich and increasingly exciting. SCA1 treatments under investigation explore different strategies to minimize the insult caused by mutant ataxin-1.

New work by Nitschke and colleagues takes previous efforts a step further towards this goal by delving deeper into the promises and limitations of an exciting therapeutic “angle” in the ataxin-1 protein itself.

Experimental mice are placed on the rotating rod to animal test in the Laboratory
Research in SCA1 mice shows preventing S776 phosphorylation improved muscle strength, respiratory function, and prolonged lifespan. Photo used under license by unoL/Shutterstock.com.
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Interaction of Ataxin-1 and DNA repair proteins contributes to SCA1 disease onset and progression

Written by Dr. By Marija Cvetanovic Edited by Dr. Larissa Nitschke

Suart et al. show that Ataxin-1 interacts with an important DNA repair protein Ataxia telangiectasia mutated (ATM), and that reduction of ATM improves motor phenotype in the fruit fly model of SCA1, indicating DNA repair as an important modifier of SCA1 disease progression.

Each day, due to a combination of wear and tear from the normal processes in the cells, and environmental factors, such as irradiation, DNA in each of our cells can accumulate from 10,000 to 1,000,000 damages. If damaged DNA is left unrepaired, this can lead to loss of cell function, cell death, or a mutation that may facilitate the formation of tumors. To avoid these negative outcomes, cells take care of damaged DNA employing DNA damage response/repair proteins. Ataxia-telangiectasia mutated (ATM) protein is a critical part of DNA repair as it can recognize sites of DNA damage. It also helps recruit other proteins that repair DNA damage.

Mutations in the ATM gene cause autosomal recessive ataxia called Ataxia telangiectasia (AT). AT is characterized by the onset of ataxia in early childhood, prominent blood vessels (telangiectasia), immune deficiency, an increased rate of cancer, and features of early ageing.

An artist's drawing of four strands of DNA
DNA repair may be an important modifier of SCA1 disease progression. Photo used under license by Anusorn Nakdee/Shutterstock.com.

Expansion of CAG repeats in the Ataxin-1 gene causes dominantly inherited Spinocerebellar Ataxia Type 1 (SCA1). A feature of SCA1 is that a greater number of repeats correlates to an earlier age of onset of symptoms and worse disease progression. The connection of DNA repair pathways and SCA1 was brought into focus in 2016 by a study by Bettencourt and colleagues. As longer CAG repeat tracts association with earlier ages at onset do not account for all of the difference in the age of onset authors searched for additional genetic modifying factors in a cohort of approximately 1000 patients with SCAs. They showed that DNA repair pathways significantly associate with the age at onset in SCAs, suggesting that genes with roles in the DNA damage response could provide new therapeutic targets (and hence therapeutics) in SCAs.

In this study, Suart et al. identify ATM as one such gene. Using irradiation and oxidizing agent to damage DNA and using imaging to follow ataxin-1 movement, authors first show that ataxin-1 is recruited to the site of DNA damage in cultured cells. They also demonstrate that SCA1 mutation slows down but does not prevent ataxin-1 recruitment to the sites of DNA damage.

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Newly identified mutations in SCA19/22 and their dysfunctions

Written by Sophia Leung Edited by Dr. Marija Cvetanovic

While the mutant proteins in SCA19/22 lose part of their innate functions and properties, they also disrupt the key functions of the normal healthy protein.

The underlying mechanism of the hereditary property of SCA19/22 is elusive. In this study, the researchers investigated the molecular properties of four different mutations found in patients with SCA19/22. They looked at how these mutant proteins affect the normal protein if they are both present in the cell. They found that the mutant proteins are not only non-functional (do not work properly), but that in their presence, the normal protein’s function is also diminished. Furthermore, while the production and proper localization of these mutant proteins are found to be defective, they also bring the same decline to the normal protein. This adds to their disease-causing properties. This study is significant in that it offers a molecular investigation into mutant proteins associated with SCA19/22 that was previously lacking. It also provides evidence that may explain the hereditary property of the disease.

A number of mutations in the gene KCND3 has been associated with SCA19/22. The gene makes the voltage‐gated potassium ion (K+) channel subunit KV4.3. In general terms, the gene makes a protein that functions to allow potassium ions to pass through the membrane of nerve cells. Similar to how a flute has many holes to allow air to pass through when played to make a specific note, a nerve cell has different kinds of channels to allow ions to pass through their membrane to orchestrate normal functioning. One could imagine the disruption to any channels, a partial obstruction or a total blockage, could perturb the overall output of the cell.

flute resting on a music stand
Similar to how a flute has many holes to allow air to pass through when played to make a specific note, a nerve cell has different kinds of channels to allow ions to pass through to orchestrate normal functioning. (Photo by Rajesh Kavasseri / Unsplash)

In this study, the researchers found that the normal KV4.3 channel protein detectably allows potassium ions to pass through. But little to no ions can pass through the SCA19/22 mutant KV4.3 channels. Even under the assistance of a “helper” protein, which normally enhances the function of this channel, only one of the mutant channel proteins shows improvement. This indicates that the SCA19/22 causing mutations result in a reduced function of mutated KV4.3 channels.

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Evaluating the long-term safety of lentiviral gene therapy in SCA3 mice

Written by Dr. Ambika Tewari Edited by Dr. Hayley McLoughlin

Lentiviral expression of an shRNA against ataxin-3 was well-tolerated and produced no measurable adverse effects in wild-type mice.

Evaluating the safety profile is a necessary and crucial step in qualifying a therapy for use in patients. Gene therapy is an experimental technique that has demonstrated tremendous progress in the treatment or reversal of a disease, specifically monogenic disorders. Carefully investigating the safety and tolerance of gene therapy is important to gauge its suitability for clinical trials. Gene therapy tools can be used in different ways to achieve the same therapeutic effect: the faulty gene can be replaced with a healthy copy, the mutated gene can be repaired, or the mutant copy of the gene can be silenced. You can learn more about gene therapy in this pat SCAsource Snapshot.

Spinocerebellar ataxia type 3 (SCA3) or Machado-Joseph disease (MJD) causes progressive loss of neurons in the spinal cord, and several regions of the brain. This includes the cerebellum, brainstem, striatum and substantia nigra. These neurons have crucial functions. Without these neurons, patients experience motor incoordination, loss of balance, and in severe cases, premature death. While great progress continues to be made in understanding how a mutation in a single gene, Ataxin-3, causes the symptoms of SCA3, there is still no treatment to stop the disease progression. As a monogenic disorder, SCA3, like other Spinocerebellar ataxias (SCA), is a promising candidate for gene therapy. While there are no approved gene therapies for SCA yet, there any several research labs and companies working towards achieving this goal.

An artist's drawing of scientists standing infront of a giant piece of DNA and drugs
This is truly an exciting time for gene therapy, but it is also important to keep the safety of patients a top priority. Photo used under license by Visual Generation/Shutterstock.com.

The researchers in this study have been working on gene therapy for SCA3 since 2008. They have researched how gene therapy could offer protection against further decline, in several cell and mouse models of SCA3. They used an approach where they decreased the levels of the mutant Ataxin-3 gene while leaving the normal Ataxin-3 gene intact. This is known as allele-specific targeting. They demonstrated that using this technique, they could significantly reduce the behavioral and neuropathological changes that occur in SCA3 mice. Mice treated with the gene therapy showed improvements in their balance and motor coordination. 

Gene therapy in its most basic form involves two components, the gene that will replace or remove the diseased gene and a vector that will transport this new gene to its site of action. The most commonly used vectors today are adeno-associated virus (AAVs) followed by retrovirus. These viruses have been specifically engineered to deliver their passenger to the specified location. While both vectors have been through several years of preclinical and clinical testing for numerous gene therapy candidates, there are questions that remain regarding their safety. (1) Does the gene therapy product continue to be expressed in the targeted area long-term; (2) If there is long-term expression does it cause any adverse measurable effects to the targeted area; (3) Does the long-term expression affect the normal functioning of the targeted cells/organ.

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