Gene therapy for diseases of the central nervous system

Abstract

Gene therapy is a novel tool for treating central nervous system diseases with unfavorable prognosis. Despite the promising results of multiple clinical studies, the limited distribution of gene delivery, the reduced expression of the therapeutic gene in the target organ, and the low therapeutic index of some regimens constitute major obstacles. In particular, viral vectors have particular shortcomings attributed to the increased risk of mutagenesis, triggering of a subsequent immune response, limited size of the therapeutic gene, and complexity of scaling production. Nanotechnology offer a safe gene delivery platform devoid of adverse effects associated with virus-based systems. However, to date only a few clinical studies have shown promising results using non-viral gene vectors. This phenomenon is due to the inability of such genes to be evenly distributed in the brain parenchyma and the low rate of gene transfer to the target cells. Important barriers to this process are the blood-brain barrier and the extracellular space, which prevent the accumulation and wide distribution of nanoparticles. Here we constructed synthetic non-viral vectors capable of penetrating and evenly distributing within the brain tissue allowing expression of therapeutic genes in a large number of cells. Administration of these vectors by convection-enhanced delivery into the parenchyma permits further dispersion of the synthetic carriers. We expanded this particular technique to synthesize brain penetrating gene vectors using state-of-the-art biodegradable polymers. Furthermore, we used these non-viral vectors for the effective intracranial administration of therapeutic plasmids against glioblastoma. These vectors widely distribute within the tumor, and thus allow for high levels of therapeutic transgene expression thus significantly improving the therapeutic effect in two aggressive glioblastoma models. Finally, by combining blood-brain barrier opening using focused ultrasound with systemically administered nanoparticles, we developed a non-invasive strategy to achieve safe, highly localized, strong and stable expression of transgenes in the central nervous system.Η γονιδιακή θεραπεία αποτελεί ένα νέο εργαλείο για την αντιμετώπιση νοσημάτων του κεντρικού νευρικού συστήματος με δυσμενή πρόγνωση. Παρά τα θετικά αποτελέσματα ποικiλων κλινικών μελετών, ο περιορισμένος όγκος κατανομής των γονιδιακών φορέων, η μειωμένη έκφραση του θεραπευτικού γονιδίου στο όργανο στόχο καθώς και ο χαμηλός θεραπευτικός δείκτης ορισμένων θεραπευτικών σχημάτων αποτελούν σημαντικά εμπόδια. Πιο συγκεκριμένα, οι ευρείας χρήσεως ιικοί φορείς παρουσιάζουν ιδιαίτερες δυσκολίες λόγω του αυξημένου κινδύνου μεταλλαξιγένεσης, πυροδότησης επακόλουθης ανοσολογικής αντίδρασης, περιορισμούς ως προς το μέγεθος του θεραπευτικού γονιδίου και δυσκολίες στην αναβάθμιση παραγωγής αυτών. Η νανοτεχνολογία προσφέρει καινοτόμες λύσεις στα προαναφερθέντα προβλήματα συμβάλλοντας στη σχεδίαση ασφαλών γονιδιακών φορέων με ελεγχόμενα και διαμορφώσιμα χαρακτηριστικά. Ωστόσο, μέχρι σήμερα λίγες μόνο κλινικές μελέτες παρουσίασαν υποσχόμενα αποτελέσματα με τη χρήση μη ιικών γονιδιακών φορέων. Το φαινόμενο αυτό οφείλεται στην αδυναμία τέτοιου είδους γονιδιακών φορέων να κατανεμηθούν ομοιόμορφα στο παρέγχυμα του εγκεφάλου και στο χαμηλό ποσοστό γονιδιακής μεταφοράς στα κύτταρα στόχους. Σημαντικά εμπόδια στη διαδικασία αυτή αποτελούν ο αιματοεγκεφαλικός φραγμός και ο εξωκυττάριος χώρος, που εμποδίζουν την συσσώρευση και την ευρεία κατανομή των νανοσωματιδίων. Στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή kατασκευάσαμε συνθετικούς μη ιικούς φορείς ικανούς να διεισδύουν και να κατανέμονται ομοιόμορφα στον εγκεφαλικό ιστό επιτρέποντας έκφραση θεραπευτικών γονιδίων σε μεγάλο αριθμό κυττάρων. Επίσης, αποδείξαμε πως η χορήγηση των συγκεκριμένων φορέων με τη βοήθεια συνεχούς πίεσης που παρέχει συνεχή ροή εντός του παρεγχύματος επιτρέπει περαιτέρω διασπορά των διεισδυτικών συνθετικών φορέων. Ακόμη, επεκτείναμε τη συγκεκριμένη τεχνική κατασκευής διεισδυτικών φορέων σε ένα σύστημα πολλά υποσχόμενων βιοδιασπώμενων πολυμερικών γονιδιακών φορέων. Xρησιμοποιήσαμε αυτούς τους μη ιικούς φορείς για την αποτελεσματική ενδοκράνια χορήγηση θεραπευτικών πλασμιδίων κατά το γλοιοβλάστωμα. Αυτοί οι φορείς είναι σε θέση να διανέμονται ευρέως εντός του όγκου, και έτσι επιτρέπουν υψηλά επίπεδα θεραπευτικής γονιδιακής έκφρασης που βελτιώνει σημαντικά το θεραπευτικό αποτέλεσμα σε δύο επιθετικά μοντέλα γλοιοβλαστώματος. Τέλος, συνδυάζοντας το άνοιγμα αιματοεγκεφαλικού φραγμού με τη χρήση εστιασμένων υπερήχων με συστημικώς χορηγούμενα νανοσωματίδια, αναπτύξαμε μια μη επεμβατική στρατηγική για την επίτευξη ασφαλούς, εξαιρετικά εντοπισμένης, ισχυρής και σταθερής έκφρασης διαγονιδίων στο κεντρικό νευρικό σύστημα