Pathophysiology and gene therapy of the optic neuropathy in Wolfram Syndrome

par Jolanta Jagodzinska

Thèse de doctorat en Biologie Santé

Sous la direction de Cécile Delettre-Cribaillet et de Christian Hamel.

Soutenue le 22-12-2016

à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; Ecole Doctorale ; 2015-....) , en partenariat avec Institut des neurosciences de Montpellier (laboratoire) .

Le président du jury était Timothy Barrett.

Le jury était composé de Cécile Delettre-Cribaillet, Christian Hamel, Timothy Barrett, Sulev Koks, Marisol Corral-Debrinski, Benjamin Delprat, Agathe Roubertie.

Les rapporteurs étaient Sulev Koks.

  • Titre traduit

    Physiopathologie et thérapie génique de la Neuropathie Optique associée au Syndrome de Wolfram


  • Résumé

    Le Syndrome de Wolfram (SW; OMIM #222300, prévalence 1-9 / 1000 000) est une maladie neurodégénérative, qui se présente avec un début juvénile, intégrant le diabète insipide, diabète sucré, l’atrophie optique (AO), et la surdité. AO est généralement son premier symptôme neurologique, commençant à l’âge de 11 ans et se terminant par la cécité 8 ans plus tard. Malheureusement, un modèle murin du SW approprié aux symptômes ophtalmologiques n'a pas encore été trouvé, donc la recherche de la thérapie pour sauver la vision en est à ces débuts. Dans cette thèse j’ai étudié l’atteinte visuelle de deux modèles de souris mutantes pour le SW et succès d’une approche de thérapie génique (TG) avec le gène humain WFS1.Premièrement, les souris Wfs1exon8del sont été examinées à 3 et 6 mois pour l’acuité visuelle (AV) et la sensibilité aux contrastes (SC) via changements dans le reflexe optomoteur (ROM), la fonction rétinienne neurale par électrorétinogramme (ERG), ainsi que la physiologie de l’œil par la fondoscopie et tomographie par cohérence optique (TCO). De plus, la proportion des cellules ganglionnaire de la rétine (CGRs) et la perte axonale dans le nerf optique (NO) à 7 mois ont été examinés avec marquage anti-Brn3a et microscopie électronique, respectivement. Il y avait une perte progressive de l’AV et la SC chez les souris KO à partir du 1 mois. Elle était accompagnée d'une pâleur du disque optique (DO), d'amincissement de la rétine ainsi que des lésions axonales. Par contre, il n’avait pas de perte des CGRs ni stress du réticulum endoplasmique dans la rétine. Brièvement, les souris KO présentent un phénotype ophtalmique du SW significatif et peuvent servir comme modèle.Deuxièmement, à la recherche d'un autre modèle du SW, les fonctions visuelles de la lignée Wfs1E864K de la souris ont été étudiées. Déjà à 1 mois, les souris Wfs1E864K/E864K avait une perte drastique de la fonction des CGRs, mais en gardant le nombre de cellules à un niveau normal. Ceci a été accompagné par un amincissement de la rétine et d’un sévère dommage du NO, comme montré par le TCO et la fondoscopie, respectivement. En conséquence, les souris Wfs1E864K/E864K, avec leur fort phénotype ophtalmique, pourraient servir comme modèle du SW classique.Enfin, pour enquêter sur les futures options de traitement contre le SW, les souris de la lignée Wfs1exon8del à 1 mois ont subi une TG intravitréenne avec AAV-2/2-CMV-WFS1. Les examens à 3 et 6 mois ont montré une amélioration de l’AV, ainsi que le sauvetage de la pâleur du DO et réduction des lésions axonales chez les souris KO. En outre, aucun effet indésirable lié à des injections TG n’ont été noté. Suivant cette idée, les souris Wfs1E864K/E864K ont également été soumis à la TG intravitréenne, délivrée à P14, mais sans succès.En conclusion, la lignée Wfs1exon8del de la souris est un modèle fiable du SW, y compris les aspects visuels. Je propose le modèle Wfs1E864K/E864K comme une alternative, en particulier pour enquêter sur la fonction de Wfs1 dans l'œil. Enfin, la GT intravitréenne avec WFS1 a un potentiel pour sauver partiellement le phénotype ophtalmique, ouvrant la voie vers le traitement pour les patients du SW


  • Résumé

    Wolfram Syndrome (WS; OMIM #222300, prevalence 1-9 / 1 000 000) has a juvenile onset and incorporates diabetes insipidus, diabetes mellitus, optic atrophy (OA), and deafness; leading to death in middle age. OA is its first neurological symptom, starting in adolescence and ending with blindness within 8 years. Unfortunately, a suitable WS mouse model comprising ophthalmologic symptoms has not yet been found, therefore the search for its treatment is delayed. In this thesis, I studied visual impairment in two WS mouse models along with a success of a gene therapy (GT) approach with the human WFS1 gene.Firstly, 3 and 6 months old Wfs1exon8del mice were examined for the visual acuity (VA) and contrast sensitivity via changes in the opto-motor reflex (OMR), the neural retinal function via electroretinogram (ERG), as well as the eye physiology via fundoscopy and optic coher-ence tomography (OCT). Also, the proportion of retinal ganglion cells (RGC) and the axonal loss at the age of 7 months were determined with anti-Brn3a immuno-labeling of retinal sections and electron microscopy of optic nerve (ON) sections, respectively. There was a progressive loss of VA and contrast sensitivity in Wfs1exon8del-/- mice, starting already at 1 month of age. It was accompanied by optic disc pallor, retinal thinning as well as axonal damage. However, there was no RGC loss and the endoplasmic reticulum (ER) stress in the retina was at a normal level. It suggested a presence of another cause for the reported degeneration in KO mice; in opposition to what was proposed in the literature. I brief, KO mice exhibit significant WS ophthalmic phenotype.Secondly, in search for another model, visual functions of Wfs1E864K mouse line were investigated. This line was originally a model of Wolfram-like Syndrome, characterized by dominant mutations in WFS1 leading to congenital progressive hearing impairment, diabetes mellitus and OA. Only homozygous mutants, however, showed expected visual impairment. Already at 1 month of age, Wfs1E864K/E864K mice had drastic loss of RGC function, albeit keeping the cell number at a normal level. This was accompanied by retinal thinning and a severe ON damage, as shown with OCT and fundoscopy, respectively. In contrast, the RGC function in Wfs1E864K/+ mice dropped slightly only at the age of 7 and 12 months, showing that the pathology of the E864K mutation-driven disease in mice is different than in humans. Therefore, Wfs1E864K/E864K mice, with their strong ophthalmic phenotype, could potentially serve as a model of the classical WS.Finally, to investigate future treatment options, 1 month old Wfs1exon8del+/+ (WT) and Wfs1exon8del-/- (KO) mice underwent a uni- and bi-lateral intravitreal gene therapy (GT) with AAV-2/2-CMV-WFS1. Exams at 3 and 6 months of age showed improved VA, as well as optic pallor and axonal damage rescue in KO mice. Also, no adverse effects related to either GT or sham injections were noted. Following this idea, the Wfs1E864K/E864K mice were also subjected to intravitreal GT, delivered at P14, but without success.In conclusion, Wfs1exon8del mouse line is a reliable model of WS, including the visual aspects. I propose the Wfs1E864K/E864K model as an alternative, especially to investigate Wfs1 function in the eye. Finally, the intravitreal AAV-driven GT with WFS1 has a potential to partially rescue the ophthalmic phenotype, paving the wave towards the treatment for WS patients.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 30-01-2019

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