Développement d'une approche de thérapie génique pour l'amyotrophie spinale avec épilepsie myoclonique progressive

Development of a gene therapy approach for spinal muscular atrophy with progressive myoclonic epilepsy

• Auteur / Autrice : Jérôme Denard
• Direction : Ana Buj bello, Martina Marinello
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et Dynamique des Systèmes Vivants
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Approches génétiques intégrées et nouvelles thérapies pour les maladies rares (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université d'Évry-Val-d'Essonne (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Fisson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Anne Colle, Marc Bartoli, Odile Boespflug-Tanguy, Thierry Levade
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Anne Colle, Marc Bartoli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amyotrophie spinale

Lipogranulomatose de Farber

Thérapie génique

Mots clés libres

Asah1

Amyotrophie spinale

Maladie de Farber

Maladies de surcharge lysosomale

Thérapie génique

Vecteurs AAV

Asah1

Spinal muscular atrophy

Farber disease

Lysosomal storage disorders

Gene therapy

AAV vectors

Résumé

Les amyotrophies spinales sont un groupe de maladies qui se caractérisent par une dégénérescence progressive des motoneurones de la moelle épinière entrainant une faiblesse et atrophie musculaire de sévérité variable. La forme la plus fréquente est liée à des mutations dans le gène SMN1, pour laquelle un produit de thérapie génique a été approuvé et mis sur le marché. Une autre forme d'amyotrophie spinale avec épilepsie myoclonique progressive, nommée SMA-PME, est due à des mutations dans le gène ASAH1 codant une enzyme lysosomale, la céramidase acide (ACDase). L'espérance de vie des patients atteints de SMA-PME ne dépasse pas l'adolescence. Certaines mutations dans ce même gène peuvent causer la maladie de Farber (MF), avec pour les formes les plus sévères un décès des patients avant l'âge de deux ans en raison d'atteintes multi systémiques sévères. La SMA-PME et la MF sont des maladies de surcharge lysosomale ultra-rares. L'ACDase catalyse le céramide, un lipide bioactif, en sphingosine et acide gras. En raison du déficit de l'activité enzymatique, les céramides s'accumulent à l'intérieur des lysosomes, provoquant de graves dysfonctionnements dans plusieurs organes. Une approche thérapeutique basée sur la transplantation de cellules souches hématopoïétiques a déjà été testée chez des patients Farber mais n'a pas empêché la détérioration neurologique au cours du temps. La génération de modèles murins de déficience en ACDase, notamment le modèle Asah1P361R/P361R récapitulant les symptômes de la forme sévère de la maladie Farber, a permis de mieux comprendre la physiopathologie de la déficience en ACDase et d'évaluer différentes approches thérapeutiques. L'enzymothérapie et la thérapie génique utilisant un vecteur lentiviral ont permis de prolonger la survie des animaux de plusieurs semaines mais la correction des atteintes neurologiques était absente. Puisqu'il n'existe aucun traitement curatif pour ces patients, le but principal de mon projet de thèse a été de développer une approche de thérapie génique en administrant un vecteur recombinant adéno-associé (AAV). L'injection intraveineuse d'un vecteur AAV9-ASAH1 chez des souris Asah1P361R/P361R aux stades pré- et symptomatiques de la maladie a été capable de prolonger la durée de vie des animaux et de corriger l'ensemble du phénotype. Cette approche a apporté la preuve de concept qu'une restauration généralisée de l'expression du gène ASAH1 permet d'obtenir un effet thérapeutique dans un modèle murin sévère de déficience en ACDase. Ces résultats nous ont conduit à réaliser une étude de dose chez le modèle murin Asah1P361R/P361R pour déterminer la dose minimale efficace de ce vecteur. Trois doses d'AAV9-ASAH1 ont été administrées par voie intraveineuse chez les souris mutantes à un stade avancé de la maladie et l'effet a été analysé au niveau clinique, moléculaire et histologique pendant une période de 6 mois. Nous avons identifié une dose de vecteur capable de corriger le phénotype et d'éviter l'infiltration des macrophages dans les tissus, y compris dans le système nerveux central (SNC). L'administration du vecteur AAV9-ASAH1 par voie intracérébroventriculaire (ICV) a également été évaluée chez les souris mutantes à la naissance afin d'investiguer le potentiel thérapeutique de cette voie d'administration directe au SNC. Dans le cas du modèle Asah1P361R/P361R, la correction de l'ensemble du phénotype nécessite une injection systémique du vecteur AAV9-ASAH1, mais des résultats préliminaires indiquent qu'une administration ICV du vecteur permet aussi de prévenir l'apparition des atteintes neurologiques présentes chez les souris mutantes. Ce travail de thèse ouvre la perspective d'un développement clinique de cette thérapie génique pour les patients atteints des maladies de Farber et SMA-PME.

Spinal muscular atrophies are a heterogeneous group of disorders characterized by spinal cord α-motor neuron degeneration, leading muscle weakness and atrophy. The most common form is associated to mutations in the SMN1 gene, for which a gene therapy product obtained marketing approval. Another form of spinal muscular atrophy with progressive myoclonic epilepsy (SMA-PME), is due to mutations in the ASAH1 gene encoding a lysosomal enzyme,the acid ceramidase (ACDase). The life expectancy of patients with SMA-PME does not exceed adolescence. Some mutations in this same gene can cause Farber disease (FD), with the most severe forms causing death of patients before the age of 2 years due to severe multisystemic damage. SMA-PME and FD are ultra-rare lysosomal storage diseases. ACDase catalyzes the bioactive lipid ceramide into sphingosine and fatty acid. Due to the deficiency of enzyme activity, ceramides accumulate inside lysosomes causing serious dysfunctions in several organs. A therapeutic approach based on hematopoietic stem cell transplantation was previously tested in Farber patients but did not prevent neurological deterioration over time. The generation of mouse models of ACDase deficiency, in particular the Asah1P361R/P361R model that recapitulates the signs of Farber disease, has allowed a better understanding of the pathophysiology of acid ceramidase deficiency in tissues and the evaluation of different therapeutic approaches. Enzyme replacement therapy and gene therapy using a lentiviral vector extended the survival of mutant animals by several weeks, but did not correct the neurological signs of the disease. Since there is no curative treatment for patients, the main goal of my thesis project was to develop an efficacious gene therapy approach using an AAV vector. Intravenous administration of an AAV9-ASAH1 vector in Asah1P361R/P361R mice at pre- and symptomatic stages of the disease was able to prolong the lifespan and correct the phenotype. This approach provided proof of concept that generalized restoration of ASAH1 gene expression achieves a therapeutic effect in a severe mouse model of acid ceramidase deficiency. These results prompted us to perform a dose escalation study in Asah1P361R/P361R mice to determine the minimum effective dose of this vector. Three doses of AAV9-ASAH1 were administered intravenously in mutant mice at a late stage of the disease and the effect was analyzed at the clinical, molecular and histological level for a 6-month period. We identified a vector dose able to correct the phenotype and to avoid macrophage infiltrates in tissues, including the central nervous system. Intracerebroventricular administration (ICV) of the AAV9-ASAH1 vector in neonatal mutant mice was also evaluated to investigate the efficacy of this direct route of administration in correcting the neurological signs of the disease. The results show that systemic injection of the AAV9-ASAH1 vector was able to correct the whole-body phenotype of Asah1P361R/P361R mutant mice, whereas preliminary results indicate that ICV administration of the vector is efficacious in preventing mainly the neurological signs of the disease. This thesis work paves the way for clinical translation of this gene therapy in patients with Farber and SMA-PME diseases.