Thérapie génique par CRISPR/Cas9 pour corriger des épithéliums bronchiques dérivés de cellules souches pluripotentes induites (iPSCs) de patients atteints de dyskinésie ciliaire primitive (DCP) : une preuve de concept

Gene therapy with CRISPR/Cas9 to correct induced pluripotent stem cells (iPSCs)-derived bronchial epithelium from patients with primary ciliary dyskinesia (PCD) : a proof of concept

• Auteur / Autrice : Joffrey Mianné
• Direction : Saïd Assou, John De Vos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Soutenance le 28/09/2020
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut en médecine régénératrice et de biothérapie (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Maitre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Saïd Assou, John De Vos, Bernard Maitre, Marie Legendre, Carine Giovannangeli, Laure-Emmanuelle Zaragosi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Maitre, Marie Legendre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Épithélium

CRISPR-Cas9

Thérapie génique

Dyskinésie ciliaire primitive

Mots clés libres

Dyskinésie ciliaire primitive

Thérapie génique

CRISPR/Cas9

Épithélium bronchique

Cellules souches pluripotentes humaines

Cils

Primary ciliary dyskinesia

Gene therapy

CRISPR/Cas9

Bronchial epithelium

Human pluripotente stem cells

Cilia

Résumé

La dyskinésie ciliaire primitive (DCP) est une maladie génétique rare et hétérogène affectant la structure et la fonction des cils motiles. Dans l'épithélium des voies respiratoires, l’altération du mouvement ciliaire entraîne des infections chroniques responsables du déclin progressif et définitif des fonctions pulmonaires. Il n'existe actuellement aucun traitement efficace pour la DCP. Par ailleurs, la recherche de nouvelles thérapies reste limitée par le manque de modèles fiables.Dans ce contexte, les deux objectifs de cette thèse sont : 1) de développer un nouveau modèle in vitro de la DCP basé sur la différenciation dirigée de cellules souches pluripotentes induites (CSPi) en épithélium des voies respiratoires multiciliées, et 2) d'utiliser ce modèle pour étudier le potentiel d'une approche de thérapie génique basée sur la technologie CRISPR/Cas9.Dans ce but, nous avons dérivé deux lignées de CSPi, une d'un individu sain et une seconde d'une patiente atteinte de la DCP contenant des mutations hétérozygotes composites dans le gène CCDC40. En utilisant la lignée « saine » et la technologie CRISPR/Cas9, nous avons généré des contrôles isogéniques knock-out pour trois gènes impliqués dans la DCP incluant CCDC40, DNAH5 et MCIDAS. Parallèlement, la lignée de CSPi dérivée de la patiente a été corrigée à l’aide de la technologie CRISPR/Cas9 et de l'approche de réparation dirigée par homologie. En appliquant à ces lignées cellulaires notre protocole de différenciation préalablement optimisé, nous générons efficacement un épithélium multicilié fonctionnel des voies aériennes récapitulant les phénotypes ciliaires en fonction du génotype. En outre, ce nouveau modèle nous a permis d'étudier le potentiel d'une approche de thérapie génique basée sur la technologie CRISPR/Cas9 pour restaurer le cadre de lecture et de rétablir le phénotype ciliaire dans la lignée DCP.En conclusion, le nouveau modèle développé dans ce travail pourrait représenter un outil majeur pour la modélisation de la DCP in vitro. Ce modèle sera particulièrement intéressant pour étudier directement sur le tissu humain concerné la faisabilité et l'efficacité de thérapies innovantes. Notre pipeline pourrait donc permettre d’accélérer la recherche et le développement de nouvelles thérapies pour la DCP ainsi que d'autres pathologies pulmonaires.

Primary Ciliary dyskinesia (PCD) is a rare and heterogeneous genetic disorder affecting the structure and function of motile cilia. In the airway epithelium, impaired ciliary motion results in chronic airway infections responsible for progressive and definitive decline of lung functions. There is currently no effective treatment for PCD, and research is limited by the lack of convenient models to study this disease and investigate innovative therapies.In this context, the main goals of this thesis are: 1) to develop a new in vitro PCD model based on the directed differentiation of patient-derived or genetically-engineered induced pluripotent stem cells (iPSC) into multiciliated airway epithelium, and 2) to use this model to investigate the potential of an innovative CRISPR/Cas9 gene therapy approach.To this aim, we have derived two iPSC lines, one from an healthy individual and a second from a PCD patient harbouring compound heterozygous mutations in the CCDC40 gene. Using the “healthy” iPSC line and the CRISPR/Cas9 technology we have generated isogenic knock-out controls for three PCD genes including CCDC40, DNAH5 and MCIDAS. In parallel, using the CRISPR/Cas9 technology and the homology directed repair approach, we have corrected the patient-derived iPSC line. By applying our optimized differentiation protocol to these cell lines, we are efficiently generating functional multiciliated airway epithelium recapitulating the ciliary phenotypes in function of the genotype. Furthermore, this new model has allowed us to investigate the potential of a CRISPR/Cas9-mediated reframing gene therapy approach to rescue ciliary phenotype in the patient line.In conclusion, the new model developed in this work could represent a major tool for in vitro PCD modelling. This model will be of particular interest for investigating the feasibility and efficacy of personalized therapies directly on the relevant human tissue. Our pipeline could therefore accelerate the development and translation of new therapeutics for PCD and other lung diseases.