Proyecto Dr. Javier Díaz Nido y Dr. Ernest Giralt

Proyecto Dr. Javier Díaz Nido y Dr. Ernest Giralt

Terapia génica para la ataxia de Friedreich basada en la modificación de vectores virales y no virales para mejorar su distribución a través de la barrera hematoencefálica

Proyecto de investigación en ataxia

 

*Los fondos recaudados se ingresarán en la cuenta de GENEFA www.genefa.org

 

Investigadores Principales:

 

Javier Díaz-Nido

Centro de Biología Molecular Severo Ochoa (UAM-CSIC), Universidad Autónoma de Madrid; CIBER de Enfermedades Raras (CIBERER).

http://web4.cbm.uam.es/joomla-rl/index.php/en/scientific-departments/molecular-neurobiology?id=%20473

 

Ernest Giralt

IRB Barcelona; Universitat de Barcelona.

http://www.irbbarcelona.org/index.php/en/research/programmes/chemistry-and-molecular-pharmacology/design,-synthesis-and-structure-of-peptides-and-proteins

 

Antecedentes y estado actual de la investigación:

La terapia génica constituye una vía prometedora para el tratamiento de enfermedades monogénicas como la ataxia de Friedreich (AF). En la actualidad existen distintos grupos de investigación trabajando con distintos vectores virales (adenoasociados, lentivirales y herpesvirales) con el objetivo de desarrollar una terapia génica para la AF.

Los vectores herpesvirales destacan por su capacidad para acomodar el gen completo de la frataxina (con todas sus secuencias reguladoras). El uso del gen completo presenta importantes ventajas (frente al uso de minigenes controlados por promotores exógenos) ya que se asegura una expresión fisiológica del gen (también en respuesta a diferentes señales y estados fisiológicos), así como un correcto y completo procesamiento del RNA transcrito (permitiendo la expresión de todas las isoformas de la frataxina de una manera fisiológica).

El reto más importante para asegurar una buena eficiencia de la terapia génica consiste en asegurar una amplia distribución del vector portador del gen de la frataxina a todas las regiones del sistema nervioso que están afectadas (de manera muy particular a los ganglios espinales, médula espinal y cerebelo).

En este contexto el desarrollo de “vehículos” portadores del gen de la frataxina y que sean capaces de atravesar la barrera hematoencefálica constituiría un avance fundamental para asegurar una amplia distribución del gen.

La barrera hematoencefálica es una barrera muy selectiva que impide el paso de la mayoría de las moléculas de la sangre al sistema nervioso. Sin embargo, se ha demostrado recientemente que algunos péptidos (denominados “lanzaderas”) pueden atravesar dicha barrera así como permitir el transporte de “cargos” con distintas propiedades fisicoquímicas. Así, por ejemplo, nanopartículas de oro recubiertas con un péptido capaz de interaccionar con el receptor de la transferrina son capaces de atravesar la barrera hematoencefálica.

Nuestra intención con este proyecto es utilizar estos péptidos “lanzadera”, junto con otros péptidos funcionales, para modificar los vectores herpesvirales, así como desarrollar nuevos “vehículos” basados en nanopartículas sintéticas, que sean capaces de distribuir de una manera eficiente el gen de la frataxina en el sistema nervioso.

 

Resumen del proyecto:

El objetivo principal de este proyecto es la generación de nuevas herramientas moleculares, incluyendo vectores virales modificados y nanopartículas sintéticas, que puedan ser transportadas de manera activa y selectiva a través de la barrera hematoencefálica de manera que resulten eficientes para la terapia génica de la ataxia de Friedreich (AF).

Este proyecto pretende avanzar en la distribución de genes al sistema nervioso mediante la combinación de vectores ya conocidos (como son los vectores herpesvirales y las nanopartículas sintéticas de PLGA-PEG) con nuevos péptidos que pueden atravesar la barrera hematoencefálica actuando como lanzaderas (BBB shuttles), péptidos “localizadores” que dirigen los vectores a células diana específicas (HPs, del inglés “homing peptides”), y péptidos capaces de entrar dentro de las células (denominados CPPs, del inglés “cell penetrating peptides”).

Más específicamente, nuestro proyecto pretende transportar el ADN que codifica la frataxina (cuya deficiencia es la causa de la enfermedad) utilizando vectores virales y no-virales recubiertos de los  péptidos lanzadera (BBB shuttles) que pueden atravesar la barrera hematoencefálica, así como de péptidos directores (HPs) y de péptidos capaces de entrar dentro de las células (CPPs).

Los vectores herpesvirales derivados del virus HSV1 ya han demostrado ser muy eficaces en la transferencia de genes a neuronas, además de poseer una gran capacidad que les permite transportar genes completos con todas sus secuencias reguladoras, pero carecen de la capacidad de atravesar la barrera hematoencefálica en condiciones normales. La modificación de estos vectores virales con péptidos lanzadera puede permitir su transporte a través de la barrera hematoencefálica y así mejorar de manera muy importante su distribución en el sistema nervioso.

Las nanopartículas sintéticas de PLGA-PEG presentan algunas ventajas importantes, ya que son fáciles de preparar a gran escala y tienen generalmente menos efectos pro-inflamatorios que las partículas virales. De hecho, estas nanopartículas sintéticas de PLGA-PEG son aceptadas por las autoridades reguladoras como un material seguro y están siendo utilizadas como vehículos de suministro de fármacos. Sin embargo, para convertirse en eficientes vectores de transferencia génica, estas nanopartículas deben adquirir nuevas funcionalidades. La decoración de la superficie de estas nanopartículas sintéticas con varios péptidos que actúen como péptidos lanzadera (BBB shuttles), HPs y CPPs, podría permitir una eficiente distribución de las mismas dentro del sistema nervioso.

En este proyecto evaluaremos la eficiencia de la transferencia génica, la posible toxicidad y la eficacia terapéutica de los diferentes vectores modificados (virales y no –virales) en modelos de células humanas y en ratones.

Para alcanzar este objetivo, el proyecto reúne dos grupos de investigación que aportan conocimientos y tecnologías complementarias. El Grupo del Dr. Diaz-Nido en el Centro de Biología Molecular Severo Ochoa tiene experiencia en modelos experimentales y estrategias de terapia molecular para enfermedades neurodegenerativas con un énfasis en la ataxia de Friedreich. El Grupo del Dr. Giralt en el IRB Barcelona tiene una experiencia en el campo de la química de péptidos y su aplicación a la biomedicina y es un referente internacional en este campo. De gran importancia para este proyecto son sus desarrollos recientes en los péptidos “lanzadera” y en los sistemas de administración de fármacos.

 

Objetivos específicos del Proyecto

Los objetivos concretos del proyecto son los siguientes:

1 -. Desarrollo de un sistema de terapia génica para la AF basado en vectores virales modificados: Desarrollar vectores virales que en su interior transporten el DNA que codifica la frataxina y que gracias a la decoración con péptidos de su envoltura lipídica externa puedan cruzar la barrera hematoencefálica, así como presentar cierta especificidad por las células afectadas.

2 -. Desarrollo de un sistema no-viral para la terapia génica de la AF basado en las nanopartículas sintéticas de PLGA-PEG (recubiertas de péptidos funcionales) que en su interior transporten el DNA que codifica la frataxina y que gracias a la decoración con péptidos de su superficie puedan cruzar la barrera hematoencefálica y las membranas celulares, así como presentar cierta especificidad por las células afectadas.

3 -. Examen biológico y comparación de la eficiencia de los diferentes vectores virales y no-virales  en modelos celulares y de ratón.

 

 

Project Title:
Gene therapy for Friedreich’s ataxia based on the modification of viral and non-viral vectors to improve their delivery across the blood brain barrier.

Principal Investigators:

Javier Díaz-Nido

Centro de Biología Molecular Severo Ochoa (UAM-CSIC), Universidad Autónoma de Madrid; CIBER de Enfermedades Raras (CIBERER).

http://web4.cbm.uam.es/joomla-rl/index.php/en/scientific-departments/molecular-neurobiology?id=%20473

Ernest Giralt

IRB Barcelona; Universitat de Barcelona.

http://www.irbbarcelona.org/index.php/en/research/programmes/chemistry-and-molecular-pharmacology/design,-synthesis-and-structure-of-peptides-and-proteins

 

Background and state of the art:

As a monogenic disease, Friedreich´s ataxia (FA) seems amenable to be treated through gene therapy. The feasibility of a gene therapy approach for FA through the introduction of correct copies of the frataxin gene using distinct lentiviral, adenoassociated and herpesviral vectors has been demonstrated in cell models and in an in vivo mouse models. Among viral vectors, herpes simplex type 1 (HSV-1)-derived vectors are unique by their ability to accommodate the whole genomic locus of Fxn. The use of whole genomic loci has important advantages for gene therapy (when compared with the use of cDNAs controlled by exogenous promoters) since genomic loci contain all the endogenous regulatory sequences controlling their expression (also in response to different physiological signals) as well as the signals controlling their alternative splicing and may therefore generate all the different protein isoforms in a physiological manner.

However, the delivery of gene vectors to neurons in all the affected sites of the nervous system constitutes the major challenge for a successful gene therapy approach in the case of FA.

In this context, the development of novel DNA nanocarriers carrying the whole genomic locus of Fxn and equipped with a higher capacity to cross the Blood Brain Barrier (BBB) may constitute an important breakthrough in the development of a gene therapy for FA.

The BBB is a highly restrictive barrier that prevents the passage of the vast majority of compounds from the blood to the nervous system. Interestingly, it has recently been shown that peptides can act as efficient vectors (BBB-shuttles) to carry a range of molecules with therapeutic properties of interest (cargoes) into the nervous system, independently of the physico-chemical properties of the cargo.  In this context, Giralt’s group has recently demonstrated the efficiency of peptídic BBB shuttles by showing the delivery of gold nanoparticles to the brain by conjugation with a peptide that recognizes the transferrin receptor.

Accordingly, this project aims to generate new modified viral vectors and viral-free synthetic nanoparticles for highly efficient DNA delivery into the nervous system that may facilitate gene therapy for Friedreich’s ataxia (FA). More specifically, we plan a strategy where a DNA encoding for frataxin will be actively delivered through the blood-brain barrier (BBB) with the help of novel nanocarriers including modified viral vectors and synthetic nanoparticles.

Summary:

This project aims to generate new molecular tools, including modified viral vectors and viral-free nanoparticles, for highly efficient DNA delivery into the nervous system that may facilitate gene therapy for Friedreich’s ataxia (FA).

The project addresses the design and development of novel gene delivery systems formed by either a modified viral vector or a synthetic nanoparticle (based on PLGA-PEG nanoparticles) which will cross the blood-brain barrier (BBB) thanks to novel peptides able to carry cargoes through the BBB (which are referred to as BBB-shuttles). These peptidic BBB shuttles will decorate the surface of both viral vectors and synthetic nanoparticles. To reach the target cells, the surface of these gene delivery nanocarriers will also be decorated with homing peptides (HPs) that will target the constructs to neurons, and cell-penetrating peptides (CPPs) that will allow the transport across cell membranes.

This project tries to go significantly beyond the state of the art in gene delivery to the nervous system by combining the properties of two well-known DNA nanocarriers (such as viral vectors and PLGA-PEG nanoparticles) with the functional targeting properties of novel peptides that function as BBB-shuttles, HPs and CPPs.

Herpesviral vectors have demonstrated to be efficient gene delivery systems with the ability to accommodate whole genomic loci (which favor physiological gene expression as well as the generation of different protein isoforms arising from alternative splicing), but lack the ability to cross the BBB. Modification of these viral vectors with BBB-shuttles may render them able to be transported through the BBB.

Synthetic PLGA-PEG nanoparticles are highly advantageous as delivery vehicles since they are very simple to prepare and scale-up and have generally less pro-inflammatory effects than viral particles. PLGA-PEG -based nanoparticles are accepted by regulators as a safe material and are being used as drug delivery vehicles. These nanoparticles will be decorated with several peptides acting as BBB-shuttles, HPs and CPPs in order to improve their gene-delivery efficiency to the nervous system.

In this project we will compare the gene transfer efficiency, toxicity and therapeutic activity of the different gene delivery nanocarriers in suitable human cell and mouse models of FA in order to find the most promising candidate for further development.

To reach this goal the project assembles two partners that will contribute complementary knowledge and technology. Diaz-Nido’s group at Centro de Biología Molecular Severo Ochoa has expertise in experimental models and molecular therapy strategies for neurodegenerative diseases with an emphasis on Friedreich’s ataxia. Giralt’s group at IRB Barcelona has a long-term expertise in the field of peptide chemistry and its application to biomedicine and is an international reference in this field. Of major relevance to this project are his recent developments on peptidic BBB shuttles and drug delivery systems. This unique blend of expertise is crucial for the success of this project which goes from the synthesis of novel DNA nanocarriers to their biological evaluation in cell and mouse models of FA.

 

Specific Aims of the Project

The project is focused on generating novel molecular tools to alleviate the neurodegenerative component of FA by means of therapeutic approaches that take advantage of active targeting to cross the blood-brain barrier (BBB). More specifically, we plan a strategy where a DNA encoding for frataxin will be delivered through the BBB with the help of modified viral vectors and PLGA-PEG nanoparticles. To reach the target cell, the surface of these delivery nanosystems will be decorated with peptides able to transport cargoes though the BBB (which are referred to as BBB-shuttles), homing peptides (HPs) that will target the constructs to neurons, and cell-penetrating peptides (CPPs).

The concrete aims of the present project are as follows:

Aim1.- Development of a gene therapy system for FA based on modified viral vectors.

Aim2.- Development of a viral-free system for FA gene therapy based on PLGA-PEG nanoparticles.

Aim3.- Biological examination and comparison of the efficiency of the different modified vectors in cell and mouse models.

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