Optimisation du vecteur adénoviral pour la thérapie génique de la dystrophie musculaire de Duchenne

La dystrophie musculaire de Duchenne (DMD) est une maladie très sévère, progressive et sans traitement vraiment efficace. Elle est caractérisée par l’absence fonctionnelle de la dystrophine, une protéine essentielle au maintien des muscles squelettiques. La thérapie génique est actuellement envisagée comme approche thérapeutique pour livrer la dystrophine dans les muscles. Les vecteurs adénoviraux de troisième génération (Helper-dependent adenoviral vector, HD) sont des véhicules de transfert génique très prometteurs pour traiter la DMD. Puisque les gènes adénoviraux ont été enlevés complètement du HD, ils sont peu toxiques, faiblement immunogéniques et ils possèdent un espace cargo suffisant pour transporter l’ADN codant complet de la dystrophine. Bien que le HD puisse fournir la dystrophine de façon thérapeutique chez des souris dystrophiques (mdx), l’expression du gène thérapeutique est progressivement perdue plusieurs mois suivant l’injection intramusculaire. Deux stratégies innovantes furent explorées dans cette thèse dans le but de stabiliser l’expression de la dystrophine. La première stratégie vise à l’intégration de l’ADN du HD dans les chromosomes cellulaires, ce qui pourrait le protéger contre son élimination progressive des muscles. Une intégrase site-spécifique issue du phage ΦC31 a été utilisée pour catalyser l’intégration d’un HD transportant un marqueur de sélection. Dans les cellules humaines et les myoblastes murins, l’activité de l’intégrase a été évaluée d’après son efficacité d’intégration (après sélection) et sa spécificité (dans les clones résistants). L’efficacité atteint jusqu’à 0,5 % par cellule et jusqu’à 76 % des événements d’intégration ont été réalisés de façon site-spécifique. Bien que des délétions aient été trouvées aux extrémités du vecteur, 70 % des clones analysés montraient une seule copie du vecteur intégré (le nombre attendu). Seulement une petite augmentation du nombre de brisures double-brin a été mesurée dans les myoblastes exprimant l’intégrase. En conclusion, l’intégration du HD est relativement efficace, spécifique et sécuritaire. Cette méthode est très prometteuse, car la dystrophine peut être livrée dans le muscle avec l’aide du HD et l’intégration de l’ADN du HD pourrait stabiliser son expression in vivo. La deuxième stratégie implique l’utilisation d’un nouveau promoteur musculospécifique (ΔUSEx3) pour réduire la toxicité induite liée à une expression trop étendue de la dystrophine. Dans cette étude, nous avons investigué l’effet du contexte viral sur l’activité du promoteur. Un HD et un vecteur lentiviral (LV) ont été construits avec le promoteur ΔUSEx3 pour contrôler l’expression d’un gène rapporteur. Les résultats démontrent que ΔUSEx3 confère une expression puissante, musculospécifique et stable (via le LV) in vitro. L’injection intramusculaire du HD a conduit à une expression puissante du transgène. Ces résultats contrastent avec ceux du LV, car après l’injection de ce dernier, l’expression était faible. La livraison du HD dans le muscle, mais aussi dans plusieurs organes démontre la musculospécificité de ΔUSEx3. Par conséquent, le contexte du vecteur et l’environnement musculaire modulent tous les deux l’activité de ΔUSEx3. Bien que ΔUSEx3 soit musculospécifique, d’autres études sont requises pour déterminer si le promoteur peut stabiliser l’expression de la dystrophine in vivo.

Optimisation du transfert de gènes dans la rétine par des vecteurs lentiviraux lors de maladies dégénératives de la rétine

Certaines dégénérescences rétiniennes sont engendrées par des mutations¦génétiques et conduisent à la perte des cellules photosensibles, les¦photorécepteurs (cônes et/ou bâtonnets), et donc à la cécité (Roy et al., 2010).¦La prévalence est de 1/3000 chez les Caucasiens. Les Rétinites Pigmentaires¦(RP) en composent la majorité des cas, suivent l'Amaurose congénitale de¦Leber et la maladie de Stargardt. Il n'y a pas une mutation type associés à une¦maladie mais diverses mutations peuvent aboutir à une dégénérescence de la¦rétine. Tout comme le reste du système nerveux central, la rétine lésée n'a pas¦les capacités de se régénérer. Un objectif du traitement est de ralentir la¦dégénérescence de la rétine dans le but de la stabiliser. La thérapie génique¦constitue actuellement la seule approche thérapeutique à même de traiter les¦dégénérescences rétiniennes d'origine génétique. Elle consiste à utiliser un virus¦modifié, qui n'a plus les capacités de se reproduire, appelé vecteur pour cibler¦certaines cellules afin d'ajouter un gène sain ou d'inhiber un gène malade. Les¦virus associés à l'adénovirus (AAV) et les Lentivirus (LV) sont les 2 principaux¦types de virus utilisés en thérapie génique en ophtalmologie. D'autres vecteurs¦existent, comme les adénovirus et le virus de l'anémie infectieuse équine. Des¦études de thérapie génique effectuées chez l'homme avec le vecteur AAV ont¦démontré une sensible amélioration des fonctions visuelles (acuité visuelle,¦champ visuel, pupillométrie et le déplacement dans un environnement avec une¦lumière tamisée) chez des patients atteints d'Amaurose congénitale de Leber¦(Maguire et al., Ali et al., Hauswirth et al., Bennett et al.). Le vecteur utilisé au¦cours de ce travail est un LV, qui a pour avantage de pouvoir transporter de¦grands gènes. Lorsque ce vecteur est pseudotypé avec une enveloppe VSVG, il¦transduit (transférer un gène qui sera fonctionnel dans la cellule cible) bien¦l'épithélium pigmentaire rétinien (nécessaire à la survie et à la fonction des¦photorécepteurs). Afin de changer le tropisme du vecteur, celui testé dans cette¦étude contient une enveloppe de type Mokola qui cible efficacement les cellules¦gliales du cerveau et donc probablement aussi les cellules de Müller de la rétine.¦Le but à court terme est de transformer génétiquement ces cellules pour leur¦faire sécréter des molécules favorisant la survie des photorécepteurs. Pour¦révéler la cellule ciblée par le vecteur, le gène qui sera exprimé dans les cellules¦transduites code pour la protéine fluorescente verte 2 (GFPII) et n'a pas de¦fonction thérapeutique. Après avoir produit le virus, deux types de souris ont été¦injectées : des souris dépourvues du gène de la rhodopsine appelées Rho -/- et¦des souris sauvages appelées C57BL6. Les souris Rho -/- ont été choisies en¦tant que modèle de dégénérescence rétinienne et les souris C57BL6 en tant que¦comparatif. Les souris Rho -/- et C57BL56 ont été injectées entre le 2ème et le¦3ème mois de vie et sacrifiées 7 jours après. Des coupes histologiques de la rétine¦ont permis de mesurer et comparer pour chaque oeil, les distances de¦transduction du RPE et de la neurorétine (= toute la rétine sauf le RPE). La¦distance sur laquelle le RPE est transduit détermine la taille de la bulle¦d'injection alors que la distance sur laquelle la neurorétine est transduite¦détermine la capacité du vecteur à diffuser dans la rétine. Les résultats montrent¦une expression plus importante de la GFPII dans le RPE que dans la neurorétine¦chez les souris Rho -/- et C57BL6. Les principales cellules transduites au¦niveau de la neurorétine sont, comme attendu, les cellules de Müller. Lorsque¦l'on compare les proportions de neurorétine et de RPE transduites, on constate¦qu'il y a globalement eu une meilleure transduction chez les souris Rho -/-¦que chez les souris C57BL6. Cela signifie que le vecteur est plus efficace pour¦transduire une rétine dégénérée qu'une rétine saine. Pour déterminer quels types¦de cellules exprimaient la GFPII, des anticorps spécifiques de certains types de¦cellules ont été utilisés. Ces résultats sont similaires à ceux d'autres études¦effectuées précédemment, dont celle de Calame et al. en 2011, et tendent à¦prouver que le vecteur lentiviral avec l'enveloppe Mokola et le promoteur EFs¦est idéal pour transduire avec un gène thérapeutique des cellules de Müller dans¦des rétines en dégénérescence.

Développement de procédés efficaces pour la construction et la production de vecteurs adénoviraux

L’adénovirus possède plusieurs caractéristiques faisant de ce virus un candidat de choix pour la construction de vecteurs utiles dans les études de génomique fonctionnelle. Dans la majorité de ces applications, on a recours à un vecteur adénoviral de première génération délété de sa région E1. L’utilisation de vecteurs adénoviraux comprend deux maillons faibles : la construction du vecteur et la production subséquente de ce dernier. Le développement de méthodes alternatives est donc nécessaire pour renforcer ces deux maillons, permettant ainsi une utilisation étendue de ces vecteurs. Ce développement va s’articuler sur deux axes : l’ingénierie du vecteur de transfert pour la construction de l’adénovirus recombinant et l’ingénierie d’une lignée cellulaire pour la production du vecteur. En utilisant un vecteur de transfert adénoviral co-exprimant, à partir d’un promoteur régulable à la tétracycline, la protéase de l’adénovirus et une protéine de fluorescence verte (GFP) par l’intermédiaire d’un site d’entrée ribosomal interne (IRES), notre groupe a établi que la sélection positive, via l’expression ectopique de la protéase, est un processus efficace pour la création de librairie d’adénovirus recombinants. Par contre, la diversité atteinte dans ce premier système est relativement faible, environ 1 adénovirus recombinant par 1 000 cellules. Le travail effectué dans le cadre de cette thèse vise à construire un nouveau transfert de vecteur dans lequel l’expression de la protéase sera indépendante de celle du transgène permettant ainsi d’optimiser l’expression de la protéase. Ce travail d’optimisation a permis de réduire le phénomène de transcomplémentation du virus parental ce qui a fait grimper la diversité à 1 virus recombinant par 75 cellules. Ce système a été mis à l’épreuve en générerant une librairie adénovirale antisens dirigée contre la GFP. La diversité de cette librairie a été suffisante pour sélectionner un antisens réduisant de 75% l’expression de la GFP. L’amplification de ce vecteur adénoviral de première génération doit se faire dans une lignée cellulaire exprimant la région E1 telle que les cellules 293. Par contre, un adénovirus de première génération se répliquant dans les cellules 293 peut échanger, par recombinaison homologue, son transgène avec la région E1 de la cellule créant ainsi un adénovirus recombinant réplicatif (RCA), compromettant ainsi la pureté des stocks. Notre groupe a déjà breveté une lignée cellulaire A549 (BMAdE1) exprimant la région E1, mais qui ne peut pas recombiner avec le transgène du virus. Par contre, le niveau de réplication de l’adénovirus dans les BMAdE1 est sous-optimal, à peine 15-30% du niveau obtenu dans les cellules 293. Le travail fait dans le cadre de cette thèse a permis de mettre en évidence qu’une expression insuffisante d’E1B-55K était responsable de la mauvaise réplication du virus dans les BMAdE1. Nous avons produit de nouveaux clones à partir de la lignée parentale via une transduction avec un vecteur lentiviral exprimant E1B-55K. Nous avons confirmé que certains clones exprimaient une plus grande quantité d’E1B-55K et que ces clones amplifiaient de manière plus efficace un vecteur adénoviral de première génération. Ce clone a par la suite été adapté à la culture en suspension sans sérum.

Stress oxydatif, fonction mitochondriale et maladie inflammatoire de l'intestin

CONTEXTE: Bien que la dysfunction mitochondriale et le stress oxydant jouent des rôles prépondérants dans plusieurs conditions pathologiques, ils n’ont pas été étudiés de façon extensive au niveau du tube digestif qui est constamment exposé aux oxydants (provenant de l’alimentation) et à divers agents pathogènes. L’ingestion simultanée de sels ferreux et d’acide ascorbique peut causer le dommage des macromolécules par oxydation. Le ‘’Nuclear factor erythroid 2 related factor’’ (Nrf2) est un important facteur de transcription sensible au potentiel redox et qui protège contre le stress oxydant en induisant des gènes anti-oxydants et de detoxification par sa liaison à l’élément de réponse antioxydante (ARE). Les fonctions anti-oxydantes et anti-inflammatoires de Nrf2 ont été décrites dans une variété de types cellulaires et de tissus. Cependant son rôle est très peu connu au niveau du tube digestif. OBJECTIFS: Les objectifs sont d’évaluer comment la peroxydation lipidique médiée par le fer/ascorbate (FE/ASC) affecte les fonctions mitochondriales dans les cellules Caco-2/15, et de déterminer l’ampleur de l’implication de Nrf2. MÉTHODES: Le stress oxydant a été induit dans les cellules Caco2/15 en les traitant avec 0.2mm/2mm de FE/ASC. L’augmentation de l’expression de Nrf2 a été obtenue suite au prétraitement des cellules Caco2/15 avec 50 μM d’Olitpraz (OPZ), un puissant activateur. L’invalidation du gène de Nrf2 a été réalisée dans les cellules par transfection avec un vecteur lentiviral contenant un shRNA contre Nrf2. RÉSULTATS: Nos résultats montrent que le traitement des cellules Caco-2/15 avec du FE/ASC (0.2 mm/2 mm) augmente les niveaux du malondialdehyde (MDA), réduit la production d’ATP, entraîne une surcharge mitochondriale de calcium, active l’expression protéique du cytochrome C et de l’AIF (apoptotic inducing factor), réduit l’activité des complexes I, II, 2 III et IV de la chaîne respiratoire mitochondriale, augmente les niveaux de 8-OHdG, un marqueur des dommages à l’ADN mitochondrial, diminue la DNA glycosylase, et altère les expressions génique et protéique des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). De plus, nos observations montrent que l’induction et l’activation de Nrf2 dans les cellules Caco-2/15 résultent en: une augmentation des enzymes anti-oxydantes endogènes (catalase, glutathion peroxydase, et superoxyde dismutase), une réduction du facteur nucléaire NFκβ et de TNF-α, une augmentation de la production d’ ATP et de l’activité des complexes respiratoires (I, II, III, IV) et de PGC-1α, et une régulation des niveaux de la prohibitine mitochondriale, du Bcl-2 anti-apoptotique et de l’occludine. CONCLUSION: Dans l’ensemble, nos résultats montrent que l’exposition aigüe des cellules Caco-2/15 à la peroxydation par le FE/ASC entraîne des effets pathologiques sur les fonctions mitochondriales et l’intégrité de l’ADN, qui sont abolis par l’induction de Nrf2. Il en ressort que Nrf2 joue un rôle majeur dans la protection de l’épithélium intestinal contre le stress oxydant.

Développement de constructions antisens et siRNA pour supprimer l'expression du récepteur IGF-IR : application à la thérapie du cancer

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Développement de constructions antisens et siRNA pour supprimer l'expression du récepteur IGF-IR : application à la thérapie du cancer

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

The significance of controlled conditions in lentiviral vector titration and in the use of multiplicity of infection (MOI) for predicting gene transfer events

Background: Although lentiviral vectors have been widely used for in vitro and in vivo gene therapy researches, there have been few studies systematically examining various conditions that may affect the determination of the number of viable vector particles in a vector preparation and the use of Multiplicity of Infection (MOI) as a parameter for the prediction of gene transfer events. Methods: Lentiviral vectors encoding a marker gene were packaged and supernatants concentrated. The number of viable vector particles was determined by in vitro transduction and fluorescent microscopy and FACs analyses. Various factors that may affect the transduction process, such as vector inoculum volume, target cell number and type, vector decay, variable vector - target cell contact and adsorption periods were studied. MOI between 0-32 was assessed on commonly used cell lines as well as a new cell line. Results: We demonstrated that the resulting values of lentiviral vector titre varied with changes of conditions in the transduction process, including inoculum volume of the vector, the type and number of target cells, vector stability and the length of period of the vector adsorption to target cells. Vector inoculum and the number of target cells determine the frequencies of gene transfer event, although not proportionally. Vector exposure time to target cells also influenced transduction results. Varying these parameters resulted in a greater than 50-fold differences in the vector titre from the same vector stock. Commonly used cell lines in vector titration were less sensitive to lentiviral vector-mediated gene transfer than a new cell line, FRL 19. Within 0-32 of MOI used transducing four different cell lines, the higher the MOI applied, the higher the efficiency of gene transfer obtained. Conclusion: Several variables in the transduction process affected in in vitro vector titration and resulted in vastly different values from the same vector stock, thus complicating the use of MOI for predicting gene transfer events. Commonly used target cell lines underestimated vector titre. However, within a certain range of MOI, it is possible that, if strictly controlled conditions are observed in the vector titration process, including the use of a sensitive cell line, such as FRL 19 for vector titration, lentivector-mediated gene transfer events could be predicted. © 2004 Zhang et al; licensee BioMed Central Ltd.

A highly efficient and consistent method for harvesting large volumes of high-titre lentiviral vectors

Lentiviral vectors pseudotyped with vesicular stomatitis virus glycoprotein (VSV-G) are emerging as the vectors of choice for in vitro and in vivo gene therapy studies. However, the current method for harvesting lentivectors relies upon ultracentrifugation at 50 000 g for 2 h. At this ultra-high speed, rotors currently in use generally have small volume capacity. Therefore, preparations of large volumes of high-titre vectors are time-consuming and laborious to perform. In the present study, viral vector supernatant harvests from vector-producing cells (VPCs) were pre-treated with various amounts of poly-L-lysine (PLL) and concentrated by low speed centrifugation. Optimal conditions were established when 0.005% of PLL (w/v) was added to vector supernatant harvests, followed by incubation for 30 min and centrifugation at 10 000 g for 2 h at 4 degreesC. Direct comparison with ultracentrifugation demonstrated that the new method consistently produced larger volumes (6 ml) of high-titre viral vector at 1 x 10(8) transduction unit (TU)/ml (from about 3000 ml of supernatant) in one round of concentration. Electron microscopic analysis showed that PLL/viral vector formed complexes, which probably facilitated easy precipitation at low-speed concentration (10 000 g), a speed which does not usually precipitate viral particles efficiently. Transfection of several cell lines in vitro and transduction in vivo in the liver with the lentivector/PLL complexes demonstrated efficient gene transfer without any significant signs of toxicity. These results suggest that the new method provides a convenient means for harvesting large volumes of high-titre lentivectors, facilitate gene therapy experiments in large animal or human gene therapy trials, in which large amounts of lentiviral vectors are a prerequisite.

Liver-directed lentiviral gene therapy in a dog model of hemophilia B

We investigated the efficacy of liver-directed gene therapy using lentiviral vectors in a large animal model of hemophilia B and evaluated the risk of insertional mutagenesis in tumor-prone mouse models. We showed that gene therapy using lentiviral vectors targeting the expression of a canine factor IX transgene in hepatocytes was well tolerated and provided a stable long-term production of coagulation factor IX in dogs with hemophilia B. By exploiting three different mouse models designed to amplify the consequences of insertional mutagenesis, we showed that no genotoxicity was detected with these lentiviral vectors. Our findings suggest that lentiviral vectors may be an attractive candidate for gene therapy targeted to the liver and may be potentially useful for the treatment of hemophilia.

Lyophilisation of influenza, rabies and Marburg lentiviral pseudotype viruses for the development and distribution of a neutralisation-assay based diagnostic kit

Pseudotype viruses (PVs) are chimeric, replication-deficient virions that mimic wild-type virus entry mechanisms and can be safely employed in neutralisation assays, bypassing the need for high biosafety requirements and performing comparably to established serological assays. However, PV supernatant necessitates -80°C long-term storage and cold-chain maintenance during transport, which limits the scope of dissemination and application throughout resource-limited laboratories. We therefore investigated the effects of lyophilisation on influenza, rabies and Marburg PV stability, with a view to developing a pseudotype virus neutralisation assay (PVNA) based kit suitable for affordable global distribution. Infectivity of each PV was calculated after lyophilisation and immediate reconstitution, as well as subsequent to incubation of freeze-dried pellets at varying temperatures, humidities and timepoints. Integrity of glycoprotein structure following treatment was also assessed by employing lyophilised PVs in downstream PVNAs. In the presence of 0.5M sucrose-PBS cryoprotectant, each freeze-dried pseudotype was stably stored for 4 weeks at up to 37°C and could be neutralised to the same potency as unlyophilised PVs when employed in PVNAs. These results confirm the viability of a freeze-dried PVNA-based kit, which could significantly facilitate low-cost serology for a wide portfolio of emerging infectious viruses.

Directed integration of new insulated lentiviral vectors to heterochromatin towards safer gene transfer to stem cells

The need for better gene transfer systems towards improved risk=benefit balance for patients remains a major challenge in the clinical translation of gene therapy (GT). We have investigated the improvement of integrating vectors safety in combining (i) new short synthetic genetic insulator elements (GIE) and (ii) directing genetic integration to heterochromatin. We have designed SIN-insulated retrovectors with two candidate GIEs and could identify a specific combination of insulator 2 repeats which translates into best functional activity, high titers and boundary effect in both gammaretro (p20) and lentivectors (DCaro4) (see Duros et al, abstract ibid). Since GIEs are believed to shield the transgenic cassette from inhibitory effects and silencing, DCaro4 has been further tested with chimeric HIV-1 derived integrases which comprise C-ter chromodomains targeting heterochromatin through either histone H3 (ML6chimera) or methylatedCpGislands (ML10). With DCaro4 only and both chimeras, a homogeneous expression is evidenced in over 20% of the cells which is sustained over time. With control lentivectors, less than 2% of cells express GFP as compared to background using a control double-mutant in both catalytic and ledgf binding-sites; in addition, a two-times increase of expression can be induced with histone deacetylase inhibitors. Our approach could significantly reduce integration into open chromatin sensitive sites in stem cells at the time of transduction, a feature which might significantly decrease subsequent genotoxicity, according to X-SCIDs patients data.Work performed with the support of EC-DG research within the FP6-Network of Excellence, CLINIGENE: LSHB-CT-2006-018933

Evolutionary and Functional Analyses of the Interaction between the Myeloid Restriction Factor SAMHD1 and the Lentiviral Vpx Protein.

SAMHD1 has recently been identified as an HIV-1 restriction factor operating in myeloid cells. As a countermeasure, the Vpx accessory protein from HIV-2 and certain lineages of SIV have evolved to antagonize SAMHD1 by inducing its ubiquitin-proteasome-dependent degradation. Here, we show that SAMHD1 experienced strong positive selection episodes during primate evolution that occurred in the Catarrhini ancestral branch prior to the separation between hominoids (gibbons and great apes) and Old World monkeys. The identification of SAMHD1 residues under positive selection led to mapping the Vpx-interaction domain of SAMHD1 to its C-terminal region. Importantly, we found that while SAMHD1 restriction activity toward HIV-1 is evolutionarily maintained, antagonism of SAMHD1 by Vpx is species-specific. The distinct evolutionary signature of SAMHD1 sheds light on the development of its antiviral specificity.