Subproduto da produção do óleo de canola apresenta potencial terapêutico para as doenças de Machado-Joseph e Parkinson

Escrito por Dr. Maria do Carmo Costa, editado por Dr. Hayley McLoughlin. Inicialmente publicado em 24 de abril de 2020. Traduzido para o português por Priscila P. Sena.

Em um trabalho de colaboração utilizando modelo animal, pesquisadores de Portugal e do Reino Unido descobrem um subproduto do óleo de canola promissor para o tratamento das doenças de Machado-Joseph (ou ataxia espinocerebelar do tipo 3 – SCA3) e Parkinson.

Compostos isolados ou extratos (contendo uma mistura de compostos) de determinadas plantas têm se mostrado promissores como potenciais drogas anti-envelhecimento, ou como drogas terapêuticas para doenças neurodegenerativas. Alguns desses compostos ou extratos vegetais podem aumentar a capacidade celular de combater o estresse oxidativo anormal, típico do envelhecimento e de doenças neurodegenerativas. A doença de Machado-Joseph (também conhecida como ataxia espinocerebelar do tipo 3) e a doença de Parkinson são duas doenças neurodegenerativas nas quais a incapacidade celular de combater o estresse oxidativo contribui para a perda neuronal. Nesse estudo, os grupos do Dr. Thoo Lin e Dr. Maciel fizeram uma parceria para testar o potencial terapêutico do bagaço de colza (“rapeseed pomace”, RSP), um extrato residual com propriedades antioxidantes obtido após a produção do óleo de canola. Os experimentos foram realizados em modelo nematódeo (Caenorhabditis elegans) das doenças de Machado-Joseph e Parkinson.

Canola field with snowcapped mountains in the background, July 1990
Plantação de canola com montanhas cobertas de neve ao fundo, cortesia de imagem da USDA NRCS Montana on Flickr.

A doença de Machado-Joseph é uma ataxia neurodegenerativa dominante, causada por uma expansão trinucleotídica CAG no gene ATXN3 que resulta em uma proteína mutante (ATXN3). Enquanto em indivíduos não afetados essa expansão trinucleotídica contém de 12 a 51 repetições CAG, em pacientes de Machado-Joseph essa expansão varia entre 55 e 88 repetições. Como cada CAG no gene ATXN3 codifica um aminoácido glutamina (Q), a proteína mutante contém um trecho de Qs contínuos, conhecido como poliglutamina (polyQ).

A doença de Parkinson, caracterizada pela perda de neurônios dopaminérgicos, pode ser causada tanto por mutações genéticas quanto por fatores ambientais. Mutações nos genes codificadores da proteína α-sinucleína e da enzima tirosina hidroxilase (uma enzima crucial para a produção de dopamina) estão entre as causas genéticas da doença de Parkinson.

Nesse estudo, Pohl, Teixeira-Castro e colaboradores utilizaram modelos nematódeos para a doença de Machado-Joseph, geneticamente modificados para a produção neuronal da proteína mutante humana ATXN3. A proteína mutante forma agregados proteicos nos neurônios dos nematódeos e causa problemas de motilidade, replicando aspectos da doença de Machado-Joseph em humanos.

Os pesquisadores também utilizaram nematódeos modificados geneticamente para expressar a proteína ATXN3 normalmente expressa em humanos não afetados pela doença de Machado-Joseph. Esses nematódeos apresentam movimentos normais e a proteína ATXN3 não forma agregados proteicos nos neurônios, o que reproduz a condição normal humana.

Modelos nematódeos que apresentam perda de neurônios dopaminérgicos também foram utilizados, representando a doença de Parkinson causada tanto por fatores genéticos quanto por fatores ambientais. Eles utilizaram nematódeos geneticamente modificados para a produção da proteína α-sinucleína humana, ou para a superexpressão da enzima tirosina hidroxilase, ou ainda nematódeos tratados com um composto químico que leva à morte de neurônios dopaminérgicos.

Os autores mostraram nesse estudo que a administração de RSP, um subproduto da produção do óleo de canola, aos modelos nematódeos das doenças de Machado-Joseph e Parkinson, reduz determinados sinais dessas doenças. Resumidamente, os modelos nematódeos da doença de Machado-Joseph tratados com RSP apresentaram uma recuperação dos movimentos a um nível comparável aos animais não afetados, e os modelos nematódeos da doença de Parkinson tratados com RSP mostraram uma preservação dos neurônios dopaminérgicos.

Em seguida, os pesquisadores mostraram que o tratamento com RSP recuperou os nematódeos de certos sinais das doenças de Machado-Joseph e Parkinson através da ativação de vias celulares que protegem contra o estresse oxidativo. Especificamente, os autores encontraram evidências de uma via protetora em particular, conhecida como resposta celular antioxidante dependente de glutationa S-transferase 4 (GST-4), que foi ativada em modelos nematódeos das doenças de Machado-Joseph e Parkinson tratados com RSP.

Ainda que sejam necessários mais estudos, particularmente em animais vertebrados, para que se compreenda completamente como o extrato de RSP recupera o organismo de sinais das doenças de Machado-Joseph e Parkinson, a enzima GST-4 parece ser um bom alvo terapêutico para essas doenças. Esse estudo, acima de tudo, demonstra que o aumento de defesas particulares do organismo contra o estresse oxidativo é uma rota potencial para o desenvolvimento de estratégias terapêuticas para as doenças de Machado-Joseph e Parkinson.

Palavras-chave

Repetições CAG: um trecho de DNA composto pela sequência CAG repetida muitas vezes. Todos nós temos repetições CAG em alguns genes, mas se essas repetições excederem um limite de tamanho elas podem causar doenças, como é o caso da doença de Machado-Joseph.

Caenorhabditis elegans: um animal bem pequeno, parecido com uma minhoca, denominado nematódeo. C. elegans são organismos muito simples, mas podem ser utilizados para aprendermos mais sobre organismos mais complexos, como o organismo humano. Para aprender mais, visite o nosso Snapshot em C. elegans.

Neurônios dopaminérgicos: um tipo de neurônio que produz dopamina, encontrado no sistema nervoso. Apesar de representarem menos de 5% de todos os neurônios do corpo, eles exercem um papel importante no movimento, humor e estresse.

Estresse oxidativo: um tipo de perturbação do funcionamento normal de uma célula, causado por um desbalanço dos níveis de espécies reativas de oxigênio. Essas espécies de oxigênio são produzidas como um subproduto normal do metabolismo celular e geralmente são eliminadas pela célula sem grandes transtornos. Quando as células são incapazes de eliminar de forma suficiente essas espécies reativas de oxigênio, essas moléculas começam a acumular e causar danos a componentes que formam estruturas críticas da célula, como lipídeos, proteínas e o DNA. Conforme envelhecemos, as células naturalmente se tornam menos eficientes em eliminar espécies reativas de oxigênio, e experimentamos um nível mais alto de estresse oxidativo.

Declaração de conflito de interesse

Os autores e o editor declaram não haver conflito de interesse.

Dois dos autores do artigo original (P. Maciel e F. Pohl) contribuem para o SCAsource. Nenhum desses autores teve qualquer contribuição à escrita ou edição desse resumo.

Citação do artigo revisado

Pohl F, Teixeira-Castro A, Costa M, Lindsay V, Fiúza-Fernandes J, Goua M, Bermano G, Russell W, Maciel P, Kong Thoo Lin P. GST-4-dependent suppression of neurodegeneration in C. elegans models of Parkinson’s and Machado-Joseph disease by rapeseed pomace extract supplementation. Frontiers in neuroscience. 2019;13:1091. doi: 10.3389/fnins.2019.01091

Measuring neurodegeneration in spinocerebellar ataxias

Written by Dr Hannah K Shorrock Edited by Dr. Maria do Carmo Costa

Neurofilament light chain predicts cerebellar atrophy across multiple types of spinocerebellar ataxia

A team led by Alexandra Durr at the Paris Brain Institute identified that the levels of neurofilament light chain (NfL) protein are higher in SCA1, 2, 3, and 7 patients than in the general population. The researchers also discovered that the level of NfL can predict the clinical progression of ataxia and changes in cerebellar volume. Because of this, identifying patients’ NfL levels may help to provide clearer information on disease progression in an individualized manner. This in turn means that NfL levels may be useful in refining inclusion criteria for clinical trials.

The group enrolled a total of 62 SCA patients with 17 SCA1 patients, 13 SCA2 patients, 19 SCA3 patients, and 13 SCA7 patients alongside 19 age-matched healthy individuals (“controls”) as part of the BIOSCA study. Using an ultrasensitive single-molecule array, the group measured NfL levels from blood plasma that was collected after the participants fasted.

The researchers found that NfL levels were significantly higher in SCA expansion carriers than in control participants at the start of the study (baseline). In control individuals, the group identified a correlation between age and NfL level that was not present among SCA patients. This indicates that disease stage rather than age plays a larger role in NfL levels in SCAs.

Looking at each disease individually, the group was able to generate an optimal disease cut-off score to differentiate between control and SCA patients. By comparing the different SCAs, the research group found that SCA3 had the highest NfL levels among the SCAs studied. As such, SCA3 had the most accurate disease cut-off level with 100% sensitivity and 95% specificity of defining SCA3 patients based on NfL levels.

Artist's drawing of a group of Laboratory Scientist sturying a larger-than life human brain
A team from the Paris Brain Institute identify that SCA1, 2, 3, and 7 patients have higher levels of NfL protein than the general population. Photo used under license by ivector/Shutterstock.com.
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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

Snapshot: What is Riluzole?

Riluzole, often sold under the trade name Rilutek, is a medication used for the treatment of amyotrophic lateral sclerosis (ALS). ALS is a fatal neurodegenerative disease that mainly affects neurons controlling muscle movements. The drug was approved by the FDA (1995), Health Canada (1997), and the European Commission (1996). It helps slow down disease progression and may extend patient survival. The medication is available in tablet and liquid form, generally well-tolerated. There are sometimes mild side effects, which may include loss of appetite, nausea, and abdominal pain.

Close up of a woman taking a pill with water
Riluzole has been used to treat ALS, and research has suggested it may also help with forms of ataxia. It is currently being tested in clinical trials. Photo used under license by fizkes/Shutterstock.com.

How does it work?

Exactly how Riluzole slows disease progression remains unknown. However, it is thought that its neuroprotective effects likely stem from reducing a phenomenon known as excitotoxicity.

Neurons communicate with each other through chemical messengers called neurotransmitters. The signalling of these messengers needs to be tightly controlled. Too little or too much signaling will disrupt normal functions of the brain and cause damage to cells. Excitotoxicity is the result of excessive signaling by glutamate, one of the most abundant neurotransmitters in the brain. Glutamate is also associated with many neurodegenerative diseases.

Riluzole prevents this excessive signaling through several mechanisms. It is hypothesized that the effectiveness of riluzole in ALS treatment is the result of this neuroprotective property.

Riluzole for Ataxia

The neuroprotective function of riluzole has been a point of interest for the treatment of other neurodegenerative diseases since its approval. Multiple clinical trials have been conducted for patients with neurodegenerative diseases including Parkinson’s disease, Huntington’s disease, multiple system atrophy, and ataxia.

In 2010, a pilot trial was conducted with 40 patients with cerebellar ataxia who showed a lower level of motor impairment, measured by the International Cooperative Ataxia Rating Scale. A follow-up trial was then performed in 2015 for 55 patients with spinocerebellar ataxia (SCA) or Friedreich’s ataxia. Similarly, patient impairment had improved by an alternative measurement using the Scale for the Assessment and Rating of Ataxia. These findings indicate the possibility of riluzole being an effective treatment for cerebellar ataxia. However, more long-term studies and ones that are specific to different types of SCA need to be conducted to confirm the results.

Riluzole in Development

Even though riluzole was discovered more than 25 years ago, variations of the drug are still under development. As ALS often affects a patient’s ability to swallow, a new formulation of riluzole that is absorbed by placing it under your tongue is being developed under the name Nurtec.

Another prodrug version of riluzole, named Troriluzole (BHV-4157), may be better absorbed by the body with fewer side effects. Troriluzole is currently in phase three clinical trial for patients with different types of SCA. The trial is expected to be complete by November 30, 2021, and will hopefully provide more insight into the effectiveness of Troriluzole in SCA patients.

If you would like to learn more about Riluzole, take a look at these resources by the ClinicalTrials.gov and the Mayo Clinic.

Snapshot written by Christina (Yi) Peng and edited by Terry Suk.

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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