ASO treatment to lower ataxin-1 levels doesn’t cause unwanted side effects in a SCA1 mouse model

Written by Dr. Ronald Buijsen Edited by Dr. Larissa Nitschke

O’Callaghan and colleagues show that novel therapeutic approaches to reduce the disease-causing protein in SCA1 do not increase the risk of developing cancer or Alzheimer’s disease in SCA1 mice.

People affected with Spinocerebellar Ataxia type 1 or SCA1 carry an expansion of a repetitive stretch of DNA in the ATXN1 gene. The expanded ATXN1 gene encodes an expanded ataxin-1 protein, which accumulates and causes toxicity in the brain. This causes motor coordination problems and premature lethality. So far, there is no treatment that slows, stops, or reverses SCA1 disease progression.

Still, several preclinical studies demonstrated that reducing ataxin-1 protein levels can improve the motor coordination deficits in SCA1 mouse models. One strategy to reduce ataxin-1 levels is the use of antisense oligonucleotides (ASO). These ASO treatments specifically cleave Atxn1 mRNA and lower ataxin-1 protein levels.

This study, published by the group of Dr. Harry Orr in 2018, showed that injection of ASOs into the brain of SCA1 mice improves motor deficits, prolonged survival, and reversed neurochemical abnormalities. However, lowering ataxin-1 protein levels might lead to altered expression of other proteins in the brain. This could impact the safety of this treatment strategy. Therefore, this follow-up study investigated whether lowering of ataxin-1 protein levels results in unwanted effects.

a brown laboratory mouse sits in a researcher's gloved hand
ASO research in SCA1 is promising. But before moving forward, more safety testing had to be done in SCA1 mouse models. Image courtesy of Rama on Wikimedia.
Continue reading “ASO treatment to lower ataxin-1 levels doesn’t cause unwanted side effects in a SCA1 mouse model”

2 minuti di Scienza: Cosa sono I nucleotidi antisenso?

I nucleotidi anti-senso (anche noti come ASOs o AON, dall’inglese Antisense oligonucleotides) sono piccole molecole che possono essere usate per prevenire o alterare la produzione di proteine. Le proteine sono la forza lavoro della cellula, e dirigono la maggior parte dei processi cellulari. Le proteine sono prodotte in due fasi: nella prima un gene che codifica per una proteina viene convertito in una molecola che contiene specifiche istruzioni, l’RNA messaggero (mRNA). L’ mRNA trasferisce l’informazione contenuta nei geni al compartimento che assembla le proteine. Qui, l’mRNA è infine trasformato in proteina. Gli ASOs sono corte sequenze di DNA a singolo filamento, complementari alla sequenza di uno specifico mRNA. In base a diversi tipi di modifiche chimiche della loro sequenza, gli ASOs possono determinare due tipi di effetti sull’ mRNA complementare. Alcune modifiche fanno si che gli ASO distruggano l’mRNA e, di conseguenza, causano la perdita della proteina corrispondente. Altre modifiche, invece, permettono agli ASO di mascherare certi tratti dell’mRNA bersaglio, causando la produzione di una versione alterata della proteina.

Come funzionano gli ASO nel corpo umano. Autore della figura Larissa Nitschke, creato con BioRender.

La maggior parte delle Atassie spinocerebellari (dall’inglese Spinocerebellar Ataxias, SCAs) sono causate dall’accumulazione di una proteina tossica in una specifica regione del cervello. Per questo motivo, il principale obiettivo del trattamento delle SCAs con gli ASOs è inibire la produzione della proteina tossica. Un esempio di questa applicazione degli ASO è il lavoro del Prof. Harry Orr all’ Università del Minnesota. Il suo gruppo di ricerca studia l’Atassia spinocerebellare di tipo 1 (SCA1), causata dall’accumulo tossico della proteina Ataxina-1. Iniezioni di ASOs in modelli animali di SCA1 riducono i livelli di Ataxina-1 e migliorano l’incoordinazione motoria tipica della SCA1. Un altro modo di usare gli ASOs per il trattamento delle SCAs è la modifica dell’informazione trasmessa dall’mRNA per produrre una versione alterata della proteina. Questo approccio è stato testato nel caso della Atassia spinocerebellare di tipo 3 (SCA3), nella quale un’espansione nel gene Atxn3 rende la proteina Ataxina 3 tossica. Il gruppo del Dr. van Roon-Mom, in Olanda, per esempio, ha usato gli ASOs per rimuovere esclusivamente la porzione espansa della proteina Atxn3, lasciando intatta il resto della struttura proteica e la sua funzione.

Entrambi gli studi, così come altri studi portati avanti per altre SCAs, hanno evidenziato il potenziale uso degli ASOs come strumenti terapeutici per le SCAs. Mentre la ricerca sugli ASOs per le SCAs è per lo più nella fase preclinica, il trattamento con gli ASO per altre malattie, come la Distrofia Muscolare di Duchenne e l’atrofia muscolare spinale, è stato già approvato dall’ente statunitense Food and Drug Administration. Ulteriori studi clinici saranno necessari per misurare il beneficio terapeutico degli ASOs in pazienti di SCAs.

Per saperne di più sugli oligonucleotidi antisenso, leggi questo articolo alla pagina  HDBuzz sugli ASOs in via di sviluppo per la malattia di Huntington.

“2 minuti di Scienza” scritto da Dr. Larissa Nitschke, revisionato da Dr. Hayley McLoughli, tradotto in italiano da Dr. Antonia De Maio. Pubblicato per la prima volta il 31 Maggio 2019.

Spotlight: The Neuro-D lab Leiden

Principal Investigator: Dr. Willeke van Roon-Mom

Location: Leiden University Medical Centre, Leiden, The Netherlands

Year Founded: 1995

What disease areas do you research?

What models and techniques do you use?

A group photo of members of the Neuro-D lab Leiden standing outside on a patio.
This is a group picture taken during our brainstorm day last June. From left to right: Boyd Kenkhuis, Elena Daoutsali, Tom Metz, Ronald Buijsen, Willeke van Roon-Mom (PI), David Parfitt, Hannah Bakels, Barry Pepers, Linda van der Graaf and Elsa Kuijper. Image courtesy of Ronald Buijsen.

Research Focus

What is your research about?

The Neuro-D research group studies how diseases develop and progress at the molecular level in several neurodegenerative diseases. They focus on diseases that have protein aggregation, where the disease proteins clump up into bundles in the brain and don’t work correctly.

We focus strongly on translational research, meaning we try to bridge the gap between research happening in the laboratory to what is happening in medical clinics. To do this we use more “traditional” research models like animal and cell models. But we also use donated patient tissues and induced pluripotent stem cell (iPSC) models, which is closer to what is seen in medical clinics.

Our aim is to unravel what is going wrong in these diseases, then discover and test potential novel drug targets and therapies.

One thing we are doing to work towards this goal is identifying biomarkers to measure how diseases progress over time. To do this, we use sequencing technology and other techniques to look at new and past data from patients.

Why do you do this research?

So far there are no therapies to stop the progression of ataxia. If we can understand what is happening in diseases in individual cells, we can develop therapies that can halt or maybe even reverse disease progression.

Identifying biomarkers is also important, because it will help us figure out the best time to treat patients when we eventually have a therapy to test.

Stylized logo for the Dutch Center for RNA Therapeutics
The Neuro-D lab Leiden is part of the Dutch Center for RNA Therapeutics, which focuses on RNA therapies like antisense oligonucleotides. Logo designed by Justus Kuijer (VormMorgen), as 29 year old patient with Duchenne muscular dystrophy.

Are you recruiting human participants for research?

Yes, we are! We are looking for participants for a SCA1 natural history study and biomarker study. More information can be found here. Please note that information about this study is only available in Dutch.

Fun Fact

All our fridges and freezers have funny names like walrus, seal, snow grouse and snowflake.

For More Information, check out the Neuro-D lab Leiden website!


Written by Dr. Ronald Buijsen, Edited by Celeste Suart

Terapia gênica validada em celulas estaminais SCA3 humanas

Escrito por Dr. Marija Cvetanovic, Editado por Dr. Sriram Jayabal, Traduzido para Português por Guilherme Santos, Publicado inicialmente em: 20 de março de 2020.

Grupo de pesquisa em Michigan relata a criação do primeiro modelo de célula humana aprovado pelo NIH que reflete as características da doença SCA3 – defeitos celulares que, após terapia genética, mostram melhora

A ataxia espinocerebelar tipo 3 (SCA3) é uma doença genética de início tardio, de herança dominante, que afeta várias regiões do cérebro. Os indivíduos afetados sofrem de vários sintomas, sendo a coordenação do movimento a mais prejudicada e debilitante. A SCA3 é causada por uma mutação no gene Ataxin-3 (ATXN3). Em indivíduos não afetados, o gene ATXN3 geralmente tem de 12 a 44 repetições do código genético “CAG;” no entanto, no código genético de algumas pessoas, o número de repetições de CAG pode se tornar anormalmente alto. Se essa mutação de “expansão repetida” fizer com que o gene ATXN3 tenha mais de 56 repetições CAG, a pessoa desenvolverá ataxia SCA3. As células usam sequências CAG repetidas em seu genoma para produzir proteínas com longas extensões do aminoácido glutamina. Nas células SCA3, esses tratos de “poliglutamina” (polyQ) são anormalmente longos na proteína ATXN3, o que torna a proteína mais propensa a formar aglomerados (ou “agregados”) na célula. A presença desses aglomerados de proteínas nas células do cérebro é uma das características do SCA3.

Apesar de conhecer a causa genética da SCA3, ainda não se sabe como essa mutação afeta as células no nível molecular. Dito isto, vários modelos celulares e animais foram desenvolvidos nas últimas duas décadas para ajudar a estudar esses mecanismos subjacentes. Os modelos SCA3 não apenas ajudaram a nossa compreensão da progressão da doença em todos os níveis (molecular, celular, tecido e comportamental), mas também nos ajudaram a nos aproximar de intervenções terapêuticas. Por exemplo, estudos recentes usando modelos de camundongo SCA3 estabeleceram que direcionar o ATXN3 com uma forma de terapia genética conhecida como tratamento com oligonucleotídeo antisense (ASO) poderia muito bem ser uma estratégia eficaz para melhorar a vida dos pacientes. Os ASOs direcionados ao ATXN3 fazem com que as células do cérebro produzam menos proteína ATXN3 mutante e, quando administradas a camundongos SCA3, melhoram sua função motora. Esses resultados apoiam fortemente o uso potencial de ASOs no tratamento da SCA3. Ainda assim, é importante verificar se esse achado pode ser repetido em neurônios humanos (um passo necessário para nos aproximar dos ensaios clínicos da ASO).

Female scientist in a while lab coat busy at work, we are looking at her from behind through some glass bottles
Imagem de um cientista pesquisador trabalhando no laboratório. Imagem cortesia de pxfuel.

A experiência anterior de ensaios clínicos malsucedidos destaca a importância de determinar as semelhanças e diferenças entre humanos e camundongos quando se trata de doença. Por exemplo, a mutação SCA3 não ocorre naturalmente em camundongos; portanto, modelar SCA3 em camundongos geralmente requer manipulação genética adicional, o que poderia levar a efeitos inesperados que normalmente não vemos nos humanos. Além disso, podemos perder importantes determinantes da patologia de SCA3 devido às diferenças inerentes entre humanos e camundongos. Por exemplo, proteínas que ajudam a contribuir para a SCA3 em pacientes humanos podem simplesmente não estar presentes nos neurônios do rato (e vice-versa). Devido a essas diferenças de espécies, as intervenções terapêuticas eficazes em camundongos nem sempre são tão eficazes em humanos.

Os neurônios humanos SCA3 podem ajudar a preencher a lacuna entre modelos de roedores e pacientes humanos, atuando como uma ferramenta clinicamente relevante para examinar os mecanismos da doença e testar novas terapias. Como não podemos remover uma parte do cérebro de um paciente com SCA3 para estudar a doença, esses neurônios devem ser criados em laboratório. Os neurônios humanos podem ser gerados a partir de células estaminais pluripotentes induzidas (iPSCs) ou de células estiminais embrionárias humanas (hESCs). As células estaminais pluripotentes induzidas (iPSCs) são produzidas a partir de células adultas (geralmente células do sangue ou da pele) que são reprogramadas para retornar a uma forma semelhante a um embrião (conhecido como estado “pluripotente”). Assim como durante o desenvolvimento normal, as iPSCs podem criar muitos tipos diferentes de células, incluindo neurônios. Um problema com essa abordagem é que o processo de reprogramação pode potencialmente alterar essas células de maneira a afetar a forma como a doença se apresenta. Para evitar esse problema, os pesquisadores também podem criar neurônios humanos a partir de células estaminais embrionárias humanas (hESCs), derivadas de embriões e, portanto, naturalmente pluripotentes. Como os hESCs não requerem reprogramação, é mais provável que modelem com precisão a doença. No entanto, eles são mais difíceis de obter e trabalhar. Os pesquisadores deste estudo, liderados por Lauren Moore no laboratório do Dr. Hank Paulson na Universidade de Michigan, usaram hESCs para gerar o primeiro modelo SCA3 aprovado pelo Instituto Nacional de Saúde (Americano) – National Institutes of Health (NIH) usando células humanas.

Continue reading “Terapia gênica validada em celulas estaminais SCA3 humanas”

Aperçu Rapide: Que signifie le succès dans les essais cliniques avec des oligonucléotides antisens (ASO) ?

La recherche avance rapidement pour traiter les troubles neurologiques héréditaires de tous types, y compris les ataxies spinocérébelleuses. SCAsource a déjà étudié la science derrière la thérapie ASO. Ces maladies partagent une théorie commune selon laquelle la mutation de l’ADN conduit à la formation d’une protéine altérée qui est toxique. La thérapie ASO est destinée à arrêter la formation de la protéine toxique en « tirant sur le messager ».

Qu’est-ce qui est impliqué dans ces essais cliniques?

Pour voir ce qui pourrait arriver dans les essais cliniques d’ataxie, regardons les essais d’ASO qui se déroulent actuellement dans les maladies polyglutamines apparentées. Dans la maladie de Huntington (HD), deux programmes sont actuellement en cours d’essais cliniques. Les autorités réglementaires considèrent les ASO comme des médicaments et exigent que le produit soit à la fois sûr et efficace chez les patients.

Les ASO ne peuvent pas être administrés sous forme de pilules et ils sont actuellement injectés dans le liquide céphalo-rachidien. C’est ce qu’on appelle l’administration intrathécale pour obtenir le médicament directement dans l’espace liquide où il peut retourner dans le cerveau. Les patients des études de phase 1 en HD sont invités à effectuer jusqu’à 7 injections et un programme de phase 3 nécessite des injections tous les deux mois pendant 2 ans. Cela implique un grand engagement envers l’étude et demande beaucoup aux patients et à leurs familles.

La seule étude publiée en double aveugle de phase 1 contrôlée contre placebo en HD (Tabrizi et al., New England Journal of Medicine, 2019) a identifié qu’une série de 4 injections étaient sans danger. Ils ont mesuré les changements de la « mauvaise » protéine dans le liquide céphalo-rachidien comme une preuve de concept que les ASO pourraient abaisser les niveaux de protéines. La bonne nouvelle, c’est qu’ils ont constaté une réduction liée à la dose de cette protéine d’environ 40%. Les patients de cette étude se sont vu proposer des injections mensuelles « en ouvert », ce qui a montré une réduction de 60 % de la protéine anormale selon une présentation récente. Les extensions en ouvert sont lorsque les patients peuvent continuer à prendre un médicament après la fin de la période d’essai clinique.

docteur en blouses bleues et une blouse blanche tenant un stéthoscope. Ils sont de côté, donc seul leur corps peut être vu, sans leur visage.
À quoi ressembleront les essais cliniques d’ataxie impliquant des ASO à l’avenir? À quoi ressemblera le succès?

Alors, que signifie le succès ?

Les études de phase 3 actuellement en cours dans la MH sont conçues pour voir s’il y a un ralentissement de la progression de la maladie. Ceci est mesuré en évaluant le changement des symptômes moteurs, cognitifs et comportementaux au fil du temps. Les changements se produisent lentement en HD et SCA. Par conséquent, un grand nombre de patients sont nécessaires sur une période d’étude relativement longue.

En fin de compte, une étude réussie qui montre un ralentissement de la progression de la maladie signifie probablement que les patients ne connaîtront aucune amélioration évidente pendant le traitement et qu’ils continueront à présenter des symptômes progressifs au fil du temps. Espérons que ce sera à un rythme plus lent par rapport au groupe placebo. Puisqu’il n’y a aucun traitement disponible pour SCA ou HD, ce sera le bienvenu. Il n’est en aucun cas considéré comme un remède ou susceptible d’arrêter la progression. Les vrais remèdes en médecine sont rares, où un remède est défini comme une maladie mettant fin aux médicaments.

Graphique des symptômes en fonction du temps. La ligne de "progression typique" présente plus de symptômes plus rapidement. La ligne «progression retardée après traitement potentiel» présente moins de symptômes, mais augmente toujours avec le temps.
Graphique expliquant comment un traitement ASO potentiel pourrait fonctionner à l’avenir. Bien que cela puisse ne pas faire disparaître complètement les symptômes, cela pourrait réduire la gravité des symptômes, le nombre de symptômes et / ou le délai d’apparition des premiers symptômes. Illustration de Celeste Suart.

Dans la communauté de la recherche HD, nous posons des questions qui incluent :

  1. Est-ce une bonne idée de réduire la bonne protéine qui fait partie de notre chimie cérébrale normale ? Dans l’étude de phase 3 actuelle, l’ASO réduit à la fois la « bonne » et la « mauvaise » protéine HD. Un autre programme de la phase 1 utilise un ASO qui ne fait que réduire la «mauvaise» protéine.
  2. Quel est le meilleur moment pour utiliser la thérapie ASO ? Étant donné que ces conditions sont associées à des dommages et à des pertes de cellules nerveuses, il est logique d’utiliser ces types de thérapie très tôt, avant même que les dommages ne surviennent. Cela signifie que les patients présentant des symptômes modérés ou avancés peuvent ne pas être de bons candidats pour le traitement par ASO.
  3. Devrions-nous envisager un traitement chez les personnes qui ont subi des tests génétiques prédictifs avant le début des symptômes ? Cette question est activement débattue, mais il est trop tôt pour en tenir compte. Nous devons montrer que les ASO sont sûrs et efficaces chez les patients symptomatiques. Nous devons avoir de bonnes mesures pour déterminer si les traitements fonctionnent. Les autorités réglementaires ont exigé des preuves que les traitements ont un effet positif sur la vie des patients. Cela peut être difficile à démontrer dans une courte étude. Nous devons considérer qu’il faut des décennies aux patients pour obtenir ces maladies: ralentir ou arrêter cela pourrait prendre aussi longtemps.

Nous ne pouvons trouver les réponses à ces questions que dans les essais cliniques. Ces essais visent à améliorer la qualité de vie des gens. Pour ce faire, nous avons besoin d’informations de vraies personnes atteintes de ces maladies, et pas seulement de modèles de maladie. Il s’agit d’un processus qui prendra du temps mais nous dira quelle approche est la plus prometteuse et mérite d’être poursuivie plus rapidement. Ainsi, les patients et les familles à ce stade sont tout aussi importants que les chercheurs en blouse de laboratoire travaillant ensemble pour traiter ces maladies.

Si vous souhaitez en savoir plus sur les essais cliniques, consultez cette ressource de la FDA ou notre précédent article sur le sujet.

Écrit par le Dr Mark Guttman, Édité par le Dr Ray Truant, Traduction française par: L’Association Alatax, Publication initiale: 13 décembre 2019