Développement de nouvelles stratégies de thérapie génique pour le syndrome de Leigh

Mutations in mitochondrial DNA or in nuclear genes involved in the mitochondrial respiratory chain complexes are responsible for mitochondrial disorders. Mutations affecting mitochondrial complex I are responsible for a broad spectrum of disorders among which Leigh syndrome (LS) is the most common in infancy. This condition is fatal during the first years of life and no treatment is currently available. Brain pathology is critical in LS and one the challenges of gene therapy is the limited transfer of genes to the central nervous system due to the impermeability of the blood-brain barrier (BBB). Our hypothesis is that the development of new strategies to improve the cerebral transduction of viral vectors would provide a therapeutic benefit for LS. We first showed that the pathology does not cause anatomical or functional changes of the BBB in Ndufs4 KO mice, a standard model of LS. This result confirms the necessity to overcome the BBB. To this end, we first used an AAV-PHP.B vector, a new variant able to cross the BBB. Gene replacement with this viral vector improved the phenotype and increased the lifespan in Ndufs4 KO mice. This approach provides a proof of concept that widespread restoration of gene expression can alleviate the pathology in a model of severe mitochondrial diseases. Our second method was to combine the injection of an AAV9 vector with the application of focused ultrasound enabling the BBB opening. We first set up ultrasonic parameters affording an efficient and safe increase in BBB permeability. We then showed that this strategy extend the survival of Ndufs4 KO mice. This approach combines two technologies currently used in clinic and therefore represents an interesting prospect for the treatment of LS. Finally, we developed a new genetic construct to study whether the intercellular transfer of mitochondria contributes to the effect of gene therapy. This tool represents a new way of studying mitochondrial transfer both in vitro and in vivo. Overall, my thesis work demonstrates that strategies improving gene delivery to the brain offers new therapeutic perspectives for LS and other conditons affecting the nervous system.Des mutations de l'ADN mitochondrial ou des gènes nucléaires impliqués dans le fonctionnement de chaîne respiratoire mitochondriale sont à l’origine des maladies mitochondriales. Le syndrome de Leigh (SL) est la maladie mitochondriale infantile la plus commune. Cette pathologie est principalement caractérisée par une atteinte cérébrale. Elle est fatale durant les premières années de vie et aucun traitement n’est actuellement disponible. Un des challenges de la thérapie génique pour cette pathologie concerne le transfert d’un gène dans le système nerveux central du fait de l’imperméabilité de la barrière hémato-encéphalique (BHE). Notre hypothèse est que le développement de nouvelles stratégies permettant d’améliorer la transduction cérébrale des vecteurs viraux permettrait d’obtenir un bénéfice thérapeutique dans le cas du SL. Nous avons tout d’abord montré que la pathologie n’impactait pas l’anatomie et la fonction de la BHE chez les souris Ndufs4 KO, un modèle standard du SL. Ce résultat confirme la nécessité d'utiliser des stratégies permettant de contourner la BHE. Pour cela nous avons tout abord utilisé un vecteur AAV-PHP.B. qui est un nouveau variant traversant la BHE. Le remplacement du gène Ndufs4 avec ce vecteur viral a permis d’améliorer le phénotype et de prolonger la survie des animaux. Cette approche apporte une preuve de concept qu'une restauration généralisée de l'expression du gène permet d’obtenir un effet thérapeutique dans un modèle de maladie mitochondriale sévère. Notre deuxième approche a consisté en la combinaison de l’injection d’un vecteur AAV9 et de l’application d’ultrasons focalisés destinés à perméabiliser la BHE. Après avoir défini des paramètres ultrasonores permettant d’augmenter efficacement et sans danger la perméabilité de BHE sur une large partie du cerveau, nous avons montré que cette stratégie permettait de prolonger la survie des souris Ndufs4 KO. Cette approche expérimentale combine deux technologies déjà utilisées en clinique et pourrait donc représenter une perspective intéressante pour le traitement su SL. Enfin, nous avons mis au point une nouvelle construction génétique permettant d’étudier si le transfert intercellulaire de mitochondries participe à l’effet de la thérapie génique. Cet outil représente un nouveau moyen d’étudier le transfert des mitochondries à la fois in vitro et in vivo. Ce travail de thèse apporte la démonstration que des stratégies permettant d’améliorer le transfert de gènes vers le cerveau offre de nouvelles perspectives thérapeutiques pour le SL ainsi que pour d’autres pathologies affectant le système nerveux

Développement de nouvelles stratégies de thérapie génique pour le syndrome de Leigh

Mutations in mitochondrial DNA or in nuclear genes involved in the mitochondrial respiratory chain complexes are responsible for mitochondrial disorders. Mutations affecting mitochondrial complex I are responsible for a broad spectrum of disorders among which Leigh syndrome (LS) is the most common in infancy. This condition is fatal during the first years of life and no treatment is currently available. Brain pathology is critical in LS and one the challenges of gene therapy is the limited transfer of genes to the central nervous system due to the impermeability of the blood-brain barrier (BBB). Our hypothesis is that the development of new strategies to improve the cerebral transduction of viral vectors would provide a therapeutic benefit for LS. We first showed that the pathology does not cause anatomical or functional changes of the BBB in Ndufs4 KO mice, a standard model of LS. This result confirms the necessity to overcome the BBB. To this end, we first used an AAV-PHP.B vector, a new variant able to cross the BBB. Gene replacement with this viral vector improved the phenotype and increased the lifespan in Ndufs4 KO mice. This approach provides a proof of concept that widespread restoration of gene expression can alleviate the pathology in a model of severe mitochondrial diseases. Our second method was to combine the injection of an AAV9 vector with the application of focused ultrasound enabling the BBB opening. We first set up ultrasonic parameters affording an efficient and safe increase in BBB permeability. We then showed that this strategy extend the survival of Ndufs4 KO mice. This approach combines two technologies currently used in clinic and therefore represents an interesting prospect for the treatment of LS. Finally, we developed a new genetic construct to study whether the intercellular transfer of mitochondria contributes to the effect of gene therapy. This tool represents a new way of studying mitochondrial transfer both in vitro and in vivo. Overall, my thesis work demonstrates that strategies improving gene delivery to the brain offers new therapeutic perspectives for LS and other conditons affecting the nervous system.Des mutations de l'ADN mitochondrial ou des gènes nucléaires impliqués dans le fonctionnement de chaîne respiratoire mitochondriale sont à l’origine des maladies mitochondriales. Le syndrome de Leigh (SL) est la maladie mitochondriale infantile la plus commune. Cette pathologie est principalement caractérisée par une atteinte cérébrale. Elle est fatale durant les premières années de vie et aucun traitement n’est actuellement disponible. Un des challenges de la thérapie génique pour cette pathologie concerne le transfert d’un gène dans le système nerveux central du fait de l’imperméabilité de la barrière hémato-encéphalique (BHE). Notre hypothèse est que le développement de nouvelles stratégies permettant d’améliorer la transduction cérébrale des vecteurs viraux permettrait d’obtenir un bénéfice thérapeutique dans le cas du SL. Nous avons tout d’abord montré que la pathologie n’impactait pas l’anatomie et la fonction de la BHE chez les souris Ndufs4 KO, un modèle standard du SL. Ce résultat confirme la nécessité d'utiliser des stratégies permettant de contourner la BHE. Pour cela nous avons tout abord utilisé un vecteur AAV-PHP.B. qui est un nouveau variant traversant la BHE. Le remplacement du gène Ndufs4 avec ce vecteur viral a permis d’améliorer le phénotype et de prolonger la survie des animaux. Cette approche apporte une preuve de concept qu'une restauration généralisée de l'expression du gène permet d’obtenir un effet thérapeutique dans un modèle de maladie mitochondriale sévère. Notre deuxième approche a consisté en la combinaison de l’injection d’un vecteur AAV9 et de l’application d’ultrasons focalisés destinés à perméabiliser la BHE. Après avoir défini des paramètres ultrasonores permettant d’augmenter efficacement et sans danger la perméabilité de BHE sur une large partie du cerveau, nous avons montré que cette stratégie permettait de prolonger la survie des souris Ndufs4 KO. Cette approche expérimentale combine deux technologies déjà utilisées en clinique et pourrait donc représenter une perspective intéressante pour le traitement su SL. Enfin, nous avons mis au point une nouvelle construction génétique permettant d’étudier si le transfert intercellulaire de mitochondries participe à l’effet de la thérapie génique. Cet outil représente un nouveau moyen d’étudier le transfert des mitochondries à la fois in vitro et in vivo. Ce travail de thèse apporte la démonstration que des stratégies permettant d’améliorer le transfert de gènes vers le cerveau offre de nouvelles perspectives thérapeutiques pour le SL ainsi que pour d’autres pathologies affectant le système nerveux

Development of new gene therapy strategies for Leigh syndrome

Des mutations de l'ADN mitochondrial ou des gènes nucléaires impliqués dans le fonctionnement de chaîne respiratoire mitochondriale sont à l’origine des maladies mitochondriales. Le syndrome de Leigh (SL) est la maladie mitochondriale infantile la plus commune. Cette pathologie est principalement caractérisée par une atteinte cérébrale. Elle est fatale durant les premières années de vie et aucun traitement n’est actuellement disponible. Un des challenges de la thérapie génique pour cette pathologie concerne le transfert d’un gène dans le système nerveux central du fait de l’imperméabilité de la barrière hémato-encéphalique (BHE). Notre hypothèse est que le développement de nouvelles stratégies permettant d’améliorer la transduction cérébrale des vecteurs viraux permettrait d’obtenir un bénéfice thérapeutique dans le cas du SL. Nous avons tout d’abord montré que la pathologie n’impactait pas l’anatomie et la fonction de la BHE chez les souris Ndufs4 KO, un modèle standard du SL. Ce résultat confirme la nécessité d'utiliser des stratégies permettant de contourner la BHE. Pour cela nous avons tout abord utilisé un vecteur AAV-PHP.B. qui est un nouveau variant traversant la BHE. Le remplacement du gène Ndufs4 avec ce vecteur viral a permis d’améliorer le phénotype et de prolonger la survie des animaux. Cette approche apporte une preuve de concept qu'une restauration généralisée de l'expression du gène permet d’obtenir un effet thérapeutique dans un modèle de maladie mitochondriale sévère. Notre deuxième approche a consisté en la combinaison de l’injection d’un vecteur AAV9 et de l’application d’ultrasons focalisés destinés à perméabiliser la BHE. Après avoir défini des paramètres ultrasonores permettant d’augmenter efficacement et sans danger la perméabilité de BHE sur une large partie du cerveau, nous avons montré que cette stratégie permettait de prolonger la survie des souris Ndufs4 KO. Cette approche expérimentale combine deux technologies déjà utilisées en clinique et pourrait donc représenter une perspective intéressante pour le traitement su SL. Enfin, nous avons mis au point une nouvelle construction génétique permettant d’étudier si le transfert intercellulaire de mitochondries participe à l’effet de la thérapie génique. Cet outil représente un nouveau moyen d’étudier le transfert des mitochondries à la fois in vitro et in vivo. Ce travail de thèse apporte la démonstration que des stratégies permettant d’améliorer le transfert de gènes vers le cerveau offre de nouvelles perspectives thérapeutiques pour le SL ainsi que pour d’autres pathologies affectant le système nerveux.Mutations in mitochondrial DNA or in nuclear genes involved in the mitochondrial respiratory chain complexes are responsible for mitochondrial disorders. Mutations affecting mitochondrial complex I are responsible for a broad spectrum of disorders among which Leigh syndrome (LS) is the most common in infancy. This condition is fatal during the first years of life and no treatment is currently available. Brain pathology is critical in LS and one the challenges of gene therapy is the limited transfer of genes to the central nervous system due to the impermeability of the blood-brain barrier (BBB). Our hypothesis is that the development of new strategies to improve the cerebral transduction of viral vectors would provide a therapeutic benefit for LS. We first showed that the pathology does not cause anatomical or functional changes of the BBB in Ndufs4 KO mice, a standard model of LS. This result confirms the necessity to overcome the BBB. To this end, we first used an AAV-PHP.B vector, a new variant able to cross the BBB. Gene replacement with this viral vector improved the phenotype and increased the lifespan in Ndufs4 KO mice. This approach provides a proof of concept that widespread restoration of gene expression can alleviate the pathology in a model of severe mitochondrial diseases. Our second method was to combine the injection of an AAV9 vector with the application of focused ultrasound enabling the BBB opening. We first set up ultrasonic parameters affording an efficient and safe increase in BBB permeability. We then showed that this strategy extend the survival of Ndufs4 KO mice. This approach combines two technologies currently used in clinic and therefore represents an interesting prospect for the treatment of LS. Finally, we developed a new genetic construct to study whether the intercellular transfer of mitochondria contributes to the effect of gene therapy. This tool represents a new way of studying mitochondrial transfer both in vitro and in vivo. Overall, my thesis work demonstrates that strategies improving gene delivery to the brain offers new therapeutic perspectives for LS and other conditons affecting the nervous system

Gene replacement therapy provides benefit in an adult mouse model of Leigh syndrome

Mutations in nuclear-encoded mitochondrial genes are responsible for a broad spectrum of disorders among which Leigh syndrome is the most common in infancy. No effective therapies are available for this severe disease mainly because of the limited capabilities of the standard adeno-associated viral (AAV) vectors to transduce both peripheral organs and the CNS when injected systemically in adults. Here, we used the brain-penetrating AAV-PHP.B vector to reinstate gene expression in the Ndufs4 knockout mouse model of Leigh syndrome. Intravenous delivery of an AAV.PHP.B-Ndufs4 vector in 1-month-old knockout mice restored mitochondrial complex I activity in several organs including the CNS. This gene replacement strategy extended lifespan, rescued metabolic parameters, provided behavioural improvement, and corrected the pathological phenotype in the brain, retina, and heart of Ndufs4 knockout mice. These results provide a robust proof that gene therapy strategies targeting multiple organs can rescue fatal neurometabolic disorders with CNS involvement