Academic literature on the topic 'Malaria – Gene therapy'

Malaria is a serious illness caused by the Plasmodium parasite, which places approximately 3.5 billion people at risk. Currently, preventative measures are key in combatting this disease. However, gene therapy is an emerging field that shows promising results for the treatment of malaria, by modifying cells through the delivery of genetic material. Most notable was the discovery of CRISPR-Cas9, which not only allows deleterious mutations to be repaired, but does so with specificity, speed, and simplicity. There are numerous ongoing trials focusing on gene therapy in malaria treatment and prevention. They involve different approaches such as the genetic modification of vector mosquitoes to interfere with malaria transmission, use of CRISPR-Cas9, maternal-effect dominant embryonic arrest, homing endonuclease gene drive systems, and the design of specific Morpholino oligomers to interfere with the expression of parasitic characteristics. Overall, this emerging field shows promising results to treat and prevent not just malaria, but other diseases such as cancer, diabetes, and obesity.

Malaria parasites invade red blood cells (RBCs), consume copious amounts of hemoglobin, and severely disrupt iron regulation in humans. Anemia often accompanies malaria disease; however, iron supplementation therapy inexplicably exacerbates malarial infections. Here we found that the iron exporter ferroportin (FPN) was highly abundant in RBCs, and iron supplementation suppressed its activity. Conditional deletion of the Fpn gene in erythroid cells resulted in accumulation of excess intracellular iron, cellular damage, hemolysis, and increased fatality in malaria-infected mice. In humans, a prevalent FPN mutation, Q248H (glutamine to histidine at position 248), prevented hepcidin-induced degradation of FPN and protected against severe malaria disease. FPN Q248H appears to have been positively selected in African populations in response to the impact of malaria disease. Thus, FPN protects RBCs against oxidative stress and malaria infection.

Evolution and spread of malaria parasite Plasmodium falciparum capable of evading antimalarials are the prime concern to malaria control. The currently effective drug, artemisinin (ART), is under threat due to detection of ART-resistant P. falciparum parasites in the Southeast Asian countries. It has been shown that amino acid (AA) mutations at the P. falciparum Kelch13 (Pfk13) gene provide resistance to ART. Nigeria, a part of the Sub-Saharan Africa, is highly endemic to malaria, contributing quite significantly to malaria, and resistance to chloroquine (CQ) and sulfadoxine-pyrimethamine (SP) combination drugs has already been reported. Since artemisinin combined therapy (ACT) is the first-line drug for treatment of uncomplicated malaria in Nigeria and five amino acid mutations have been validated in the Pfk13 gene alongside with candidate mutations for ART resistance, we performed molecular surveillance for mutations (following PCR and DNA sequence analyses) in this gene from two southwestern states of Nigeria. Statistical analyses of DNA sequences were also performed following different evolutionary models. None of the different validated and candidate AA mutations of Pfk13 gene conferring resistance to ART could be detected in P. falciparum sampled in the two southwestern states of Nigeria. In addition, DNA sequencing and sequence analyses indicated neither evolutionary selection pressure on the Pfk13 gene nor association of mutations in Pfk13 gene with mutations of other three genes conferring resistance to CQ and SP. Therefore, based on the monomorphism at the Pfk13 gene and nonassociation of mutations of this gene with mutations in three other drug-resistant genes in malaria parasite P. falciparum, it can be proposed that malaria public health is not under immediate threat in southwestern Nigeria concerning ART resistance.

The pfcrt gene is a biomarker to determine the resistance of Plasmodium falciparum to chloroquine and amodiaquine. When chloroquine was switched to ACT, it is very likely that there will be an increase in wild type strains (pfcrt K76) due to the absence of exposure to chloroquine. Currently chloroquine has not used for malaria treatment. The aims of this study were to identify polymorphisms in the pfcrt gene and phylogenetic analysis of Plasmodium falciparum isolates from malaria patients in Pesawaran Regency, Lampung Province. This research is a laboratory research by analyzing blood samples which are stored biological materials (BBT). DNA isolation was carried out using a DNA isolation kit QIAmp DNA Mini kit from Qiagen, followed by amplification using an appropriate primer. The amplification results were followed by sequencing and then analyzed using Mega 10. The results showed that all samples had mutations in codons 76 (K76T) and 72 (C72S) of the pfcrt gene. Pesawaran isolates were closely related to other isolates. The conclusion of this study is that polymorphisms were found in codons 72 and 76 of the PfCRT gene, although chloroquine has long been abandoned as an antimalarial. The sequenced pesawaran isolates were also related to other isolates.

Resumo: A malária é uma doença tropical e parasitária que mais causa impasses sociais e econômicos em todo o mundo, sendo considerada um problema de saúde pública. É causada pelo protozoário do gênero Plasmodium, sendo três espécies os de maiores ocorrências e transmitida pelo mosquito Anopheles. A anemia falciforme é uma doença sanguínea causada por uma mutação de ponto que permite a formação de uma proteína truncada, a hemoglobina S. Os indivíduos afetados são homozigotos e como consequência fenotípica tem-se o aparecimento de hemácias no formato de foice. O objetivo da revisão narrativa é realizar uma pesquisa bibliográfica que demonstre a relação entre malária e anemia falciforme. Este foi realizado nas bases de dados Scientific Eletronic Library Online (Scielo) e PubMed, cujos descritores consistem em “anemia falciforme”, “relação”, “malária”, “efeito materno”, “hipótese de Haldane”, “sickle cell disease”. A relação entre anemia falciforme e malária é notada, predominantemente, em regiões endêmicas para malária, dado os estudos obtidos por Haldane e a hipótese do efeito materno. Portanto, conclui-se que pessoas portadoras do gene da anemia falciforme possuem relutância em contrair malária.Palavras-chave: anemia falciforme, relação, malária, efeito materno, hipótese de Haldane, sickle cell disease.Abstract: Malaria is a tropical and parasitic disease that causes most social and economic impasses around the world, being considered a public health problem. It is caused by the protozoan of the genus Plasmodium, with three species being the most frequent and transmitted by the Anopheles mosquito. Sickle cell anemia is a blood disease caused by a point mutation that allows the formation of a truncated protein, hemoglobin S. Affected individuals are homozygous and as a phenotypic consequence there is the appearance of sickle-shaped red blood cells. The objective of the narrative review is to carry out a bibliographic research that demonstrates the relationship between malaria and sickle cell anemia. This was carried out in the Scientific Electronic Library Online (Scielo) and PubMed databases, whose descriptors consist of “sickle cell anemia”, “relationship”, “malaria”, “maternal effect”, “Haldane hypothesis”, “sickle cell disease” . The relationship between sickle cell anemia and malaria is noted predominantly in malaria-endemic regions, given the studies obtained by Haldane and the hypothesis of maternal effect. Therefore, it is concluded that people carrying the sickle cell anemia gene are reluctant to contract malaria.Keywords: sickle cell anemia, relationship, malaria, maternal effect, Haldane hypothesis, sickle cell disease.

Abstract Background Artesunate-sulfadoxine-pyrimethamine (ASSP) is the frontline artemisinin combination therapy (ACT) in India. Random, irrational, subtherapeutic artemisinin doses and self-medication with ACT along with predominance of sulfadoxine-pyrimethamine resistance parasite invoked a strong possibility of emerging artemisinin-resistant malaria parasites. Methods This study involved 226 patients with uncomplicated Plasmodium falciparum infection who had successfully completed the 42 days follow-up after ASSP combination therapy from April 2014 to January 2016. We assessed the ASSP treatment efficacy by evaluating parasite clearance half-life, pfkelch13, and other (pfdhfr, pfdhps, pfmdr1, pfcrt) gene mutations and survival of parasites as detected by an ex vivo ring-stage survival assay (RSA). Findings Slow-clearing infections with longer parasite clearance half-lives (>5 hours) were observed in 12% isolates. Cure rate after ASSP treatment was declining to about 84.1%. ASSP failure was recorded in 15.9% (early treatment failure, 7.9%; late treatment failure, 7.9%) of isolates. In sum, 24 patients (10.6%) had parasite clearance half-lives greater than 5 hours with pfkelch13 polymorphism after 441 codon; in 15 of those patients (6.6%), parasites had not cleared by 72 hours after initiation of therapy. Median ex vivo ring-stage survival rate of these isolates was very high (12.2%; 95% confidence interval [CI], 10.9–13.8) from that of cured patients (0.9%; 95% CI, 0.09–1.07). Of these 15 patients, 13 patients had pfkelch13 G625R polymorphism, whereas 2 patients contained R539T polymorphism. As per the World Health Organization guideline, these 15 isolates were true artemisinin-resistant isolates. Interpretation Identification of artemisinin-resistant isolates in India together with new mutations and increasing combination therapy failures blow alarms for urgent malaria control.

The protective role of SCT in malaria endemic areas has been proved and prevalence of HbS gene in malaria endemic areas is high. Splenic infarction is a well-known complication of SCT, rarely associated with malaria. A Nigerian boy was admitted to our ward after returning from his country of origin, for P. falciparum malaria. He underwent abdominal US for upper right abdominal pain, showing cholecystitis and multiple splenic abscesses. Empiric antibiotic therapy was undertaken. Bartonella, Echinococcus, Entamoeba serologies, blood cultures, Quantiferon test, coproparasitologic exam were negative; endocarditis was excluded. He underwent further blood exams and abdomen MRI, confirming the presence of signal alterations areas, with radiographic appearance of recent post-infarction outcomes. Hemoglobin electrophoresis showed a percentage of HbS of 40.6% and a diagnosis of SCT was made.Splenic infarction should be taken into account in patients with malaria and localized abdominal pain. Moreover, diagnosis of SCT should be considered.

Malaria is the leading identifiable cause of fever in returning travelers. AccuratePlasmodiumspecies identification has therapy implications forP. vivaxandP. ovale, which have dormant liver stages requiring primaquine. Compared to microscopy, nucleic acid tests have improved specificity for species identification and higher sensitivity for mixed infections. Here, we describe a SYBR green-based real-time PCR assay forPlasmodiumspecies identification from whole blood, which uses a panel of reactions to detect species-specific non-18S rRNA gene targets. A pan-Plasmodium18S rRNA target is also amplified to allow species identification or confirmation by sequencing if necessary. An evaluation of assay accuracy, performed on 76 clinical samples (56 positives using thin smear microscopy as the reference method and 20 negatives), demonstrated clinical sensitivities of 95.2% forP. falciparum(20/21 positives detected) and 100% for thePlasmodiumgenus (52/52),P. vivax(20/20),P. ovale(9/9), andP. malariae(6/6). The sensitivity of theP. knowlesi-specific PCR was evaluated using spiked whole blood samples (100% [10/10 detected]). The specificities of the real-time PCR primers were 94.2% forP. vivax(49/52) and 100% forP. falciparum(51/51),P. ovale(62/62),P. malariae(69/69), andP. knowlesi(52/52). Thirty-three specimens were used to test species identification by sequencing the pan-Plasmodium18S rRNA PCR product, with correct identification in all cases. The real-time PCR assay also identified two samples with mixedP. falciparumandP. ovaleinfection, which was confirmed by sequencing. The assay described here can be integrated into a malaria testing algorithm in low-prevalence areas, allowing definitivePlasmodiumspecies identification shortly after malaria diagnosis by microscopy.

Molecular detection of Plasmodium falciparum based on PCR amplification is generally very specific and sensitive test for determining the species of Plasmodium present in the blood of an individual than the microscopy-based diagnosis from blood smears. Thirty-two (32) microscopic malaria positive blood samples were collected from some patients between November 2013 to March 2014 from three major hospitals.Plasmodium DNA was extracted from the 32 blood samples collected from the malaria-positive patients confirmed by microscopy and the DNA amplification was done by using Polymerase Chain Reaction (PCR). The amplified COX3 gene of each malaria isolates were further characterized using Agarose gel electrophoresis while sequence identification was performed by using GenBank’s BLAST algorithm. After the completion of the agarose gel electrophoresis the bands indicating amplified Cox3 gene by PCR was observed in four (4) plasmodium positive blood samples out of the 32 samples analyzed. Amplified band for COX3 gene was located at 300bp position on the DNA ladder on the agarose gel plate for sample 1, 9 and 24 all from Kagarko general hospital while sample 28 was from GwannaAwan general hospital. The BLAST results showed that the P. falciparum DNA sequences aligned at 98-99% similarity with those deposited in the GenBank confirming the parasite isolated from the patients were P. falciparum. The use of PCR diagnosis to compliment microscopy examination of stained blood smears in our medical centres is strongly recommended so that an accurate detection of malaria parasites in blood will help to institute proper drug therapy

La maladie de Parkinson se caractérise entre autres par une dégénérescence progressive des neurones dopaminergiques de la substance noire pars compacta (SNpc) qui innervent le striatum. Cette dégénération entraîne une baisse de la sécrétion de dopamine dans le striatum qui est responsable de la majorité des symptômes moteurs de la maladie de Parkinson. Plusieurs approches ont été étudiées pour le traitement de la maladie de Parkinson :i) restaurer une synthèse de dopamine dans le striatum par une greffe striatale de neurones dopaminergique ou par un transfert striatal de gènes impliqués dans la synthèse de la dopamine ;ii) protéger et stimuler les neurones dopaminergiques survivants dans la substance noire pars compacta des patients ;iii) corriger les déséquilibres de la boucle motrice engendrés par la baisse de stimulation dopaminergique du striatum ;iv) stimuler et recruter des progéniteurs cérébraux pour les faire se différencier en neurones dopaminergiques dans le striatum. Toutes ces approches thérapeutiques peuvent impliquer des transferts de gènes.

Les vecteurs dérivés des virus adéno-associés (rAAV) constituent des outils de choix pour le transfert de gènes dans les tissus cérébraux. Par ailleurs, de nombreuses applications nécessitent une régulation de l’expression du transgène. Nous disposons au laboratoire d’un vecteur rAAV inductible à la tétracycline (rAAV-TetON).

Nous décrivons dans ce travail :

i) le comportement du vecteur rAAV dérivé du sérotype 1 d’AAV utilisant la cassette d’expression TetON (rAAV2/1-TetON) comparé à celui du rAAV2/1 utilisant un promoteur constitutif pour l’expression du transgène (rAAV2/1-pCMV) dans le striatum et le mésencéphale (contenant la substance noire). A l’aide d’un vecteur rAAV2/1-TetON exprimant le GDNF, nous montrons que nous pouvons moduler le niveau d’expression du transgène dans le striatum par la dose d’inducteur administré aux animaux. Par ailleurs, nous montrons que le rAAV2/1-TetON présente dans le striatum une efficacité de transduction moindre que le rAAV2/1-pCMV mais qu’il présente un profil de biosécurité supérieur au rAAV2/1-pCMV car il limite fortement l’expression du transgène hors du striatum. De plus, le rAAV2/1-TetON n’entraîne pas de recrutement de lymphocytes T ni d’activation de la microglie dans le striatum. Lorsqu’il est injecté dans le mésencéphale, le vecteur rAAV2/1-TetON, contrairement au rAAV2/1-pCMV présente une expression préférentielle dans les neurones dopaminergiques de la SNpc et de l’aire tégmentale ventrale (VTA).

ii) le comportement des vecteurs rAAV2/1-pCMV et scAAV2/1-pCMV (vecteur « self-complémentaire » permettant une expression du transgène indépendamment de la synthèse du second brin du génome viral) dans la région neurogénique de la zone sous-ventriculaire (ZSV). Nous avons montré que les vecteurs rAAV2/1 infectent efficacement la ZSV et s’y expriment rapidement. Les vecteurs scAAV2/1 s’expriment plus rapidement dans la ZSV que les vecteurs rAAV2/1 (expression maximum à 24h et 48h, respectivement). De plus, les vecteurs rAAV2/1 présentent une efficacité de transfection importante pour les progéniteurs neuraux en prolifération (cellules C, transient amplifying progenitors) et les neuroblastes en migration (cellules A) mais pas pour les cellules souches neurales (cellules B). Nous observons, par ailleurs, que les rAAV2/1 induisent une baisse transitoire de la prolifération de la ZSV. Cet effet est indépendant de l’expression du génome et dépend donc probablement de la capside virale de nos vecteurs. De plus, cette baisse de prolifération n’induit pas d’apoptose. A long terme, nous observons des cellules exprimant le transgène dans la zone granulaire du bulbe olfactif, indiquant que la transduction des progéniteurs de la ZSV n’interfère pas avec leurs capacités de migration et de différenciation.

iii) l’efficacité de différents sérotypes de rAAV pour le transfert de gènes dans les cellules progénitrices neurales (NPC) in vitro. Nous avons montré que les rAAV peuvent transduire des NPC mais que l’efficacité spécifique des différents sérotypes testés varie en fonction de la région du cerveau fœtal et de l’espèce dont les NPC sont issues. Par ailleurs, les rAAV induisent une réduction drastique de la prolifération des cultures de NPC dépendante du sérotype de rAAV utilisé mais pas de l’origine fœtale des NPC ou de l’espèce dont elles sont issues.

Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques
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La maladie de Huntington (MH) est une maladie autosomale dominante causée par une expansion de la répétition CAG codant pour une expansion de la polyglutamine dans le premier exon du gène Huntingtine (HTT). Ce gène code pour une protéine ubiquitaire dont la mutation entraine de graves symptômes moteurs, psychiatriques et cognitifs, dus à la dégénérescence spécifique des neurones GABAergique épineux moyens du striatum. Nous proposons d'utiliser le trans-épissage pour développer un vecteur de thérapie génique qui réduira significativement voir éliminera l'expression de la protéine mutée tout en restaurant un niveau physiologique de HTT normale dans les cellules affectées par la mutation du gène Huntingtine. Cette technologie est basée sur le remplacement de l'exon muté par un exon sans mutation pendant l'étape de maturation de l'ARNm. Du fait du caractère dominant de la mutation,l'efficacité thérapeutique nécessitera une réaction de trans-épissage très efficace capable de convertir une portion significative de pre-ARNm HTT mutés en en ARNm HTT normaux. Nous avons donc développé un système rapporteur fluorescent permettant la détection des évènements de trans-épissage afin d’identifier les séquences les plus performantes parmi une centaine de molécules candidates. Nous avons validé notre stratégie de criblage basée sur la fluorescence et réalisé le criblage sur plusieurs introns HTT (3, 9 et 20) qui ont démontré des zones favorables au trans-épissage. Une méthode de quantification directe et absolue du taux de trans-épissage a également été validée pour déterminer très précisément le taux de correction. L’ensemble de ce travail a permis de contribuer à la mise en évidence de la faisabilité du trans-épissage dans le contexte de la MH
Huntington’s disease (HD) is an autosomal dominant genetic disorder caused by the expansion of a CAG repeat encoding a polyglutamine tract in the first exon of the Huntingtin gene (HTT). This gene encode a ubiquitous protein in which mutation lead to severe motor, psychiatric and cognitive deficits and causes degeneration of specific neuronal populations, in particular the GABAergic medium spiny neurons of the striatum. We propose to use trans-splicing to develop a gene therapy vector that will significantly reduce or eliminate the expression of the mutant protein while restoring a physiological level of normal HTT in cells affected by the HD mutation. This technology is based on replacement of the mutated exon by a normal version during the mRNA maturation process. HTT mutation being dominant, therapeutic benefits necessitates a highly efficient trans-splicing reaction that would convert a significant proportion of mutant-HTT pre-mRNA into normal HTT mRNA. For this purpose, we developed a fluorescent reporter system enabling the detection of trans-splicing events in high content screening in order to identify the most potent trans-splicing sequences among hundreds of molecules. We validated our fluorescent screening strategy and implement trans-splicing screening on 3 HTT introns (3, 9 and 20), in which we demonstrated the presence of hotspot promoting trans-splicing reactions. A direct and absolute quantification method was also validated to accurately assess the correction rate. Overall, this work generated additional evidences of trans-splicing feasibility in HD

La maladie de Pompe est une maladie lysosomale causée par des mutations sur l'enzyme α-glucosidase acide (GAA), responsable de la dégradation du glycogène lysosomal. Le déficit en GAA provoque l'accumulation de glycogène dans de multiples tissus, conduisant à une maladie neuromusculaire complexe avec une morbidité et mortalité élevées. En plus des symptômes connus, nos études montrent que le déficit en GAA affecte l’activation et le fonctionnement des cellules immunitaires chez les patients et le modèle murin de la maladie de Pompe. En particulier, nous avons observé une suractivation des cellules T effectrices, ainsi qu’un défaut dans l’induction et la fonction des cellules T régulatrices (Tregs). De plus, les souris atteintes de la maladie de Pompe présentent de l’inflammation tissulaire précoce, ce qui pourrait contribuer à la physiopathologie de la maladie. Ces résultats pourraient ouvrir des nouvelles voies pour étudier des stratégies qui retardent la progression de la maladie. Dans une deuxième série d'expériences, nous montrons qu'une thérapie génique ciblée au foie avec un transgène GAA sécrétable conduit à une meilleure correction de la maladie dans un modèle murin immunodéficient de la maladie, par rapport au traitement enzymatique substitutif existant. Étant donné que les Treg jouent un rôle essentiel dans la thérapie génique ciblée au foie, en induisant une tolérance immunitaire vers les transgènes hépatiques, de futures études devront évaluer l'impact des altérations immunitaires associées à cette maladie sur l'efficacité de la thérapie génique
Pompe disease is a lysosomal storage disease caused by mutations on the enzyme acid α-glucosidase (GAA), responsible for degrading lysosomal glycogen. GAA deficiency causes the accumulation of glycogen in multiple tissues, particularly in muscles and central nervous system, leading to a complex neuromuscular disease with high morbidity and mortality. In addition to the known symptoms, our studies in Pompe disease patients and mice show that GAA deficiency affects the activation and function of immune cells, particularly of T cells, leading to a higher activation of effector cells and impaired induction and suppressive function of regulatory T cells (Tregs). Moreover, Pompe disease mice present tissue inflammation at early stages of the disease, altogether suggesting that alterations in the immune system could contribute to the disease pathophysiology. These findings could open new venues to investigate strategies that delay the progression of the disease. In a second set of experiments we show that liver-directed gene therapy with a secretable GAA transgene results in superior disease rescue in an immunodefficient Pompe disease mouse model, when compared to the current enzyme replacement therapy. Because Tregs play an essential role in liver-directed gene therapy, by inducing immune tolerance towards hepatic transgenes, future studies will have to evaluate the potential impact of immune alterations associated to Pompe disease on the efficacy of liver-targeted gene transfer
La enfermedad de Pompe es una enfermedad lisosomal (lysosomal storage disease, LSD) causada por mutaciones en la enzima α-glucosidasa ácida (GAA), que hidroliza el glucógeno en glucosa en los lisosomas. La disfunción de esta enzima causa la acumulación de glucógeno en múltiples tejidos, principalmente en células musculares y neuronas. Como resultado, los pacientes desarrollan hipertrofia cardíaca, debilidad muscular, insuficiencia respiratoria, alteraciones cognitivas y muerte prematura por paro cardiorrespiratorio. Actualmente la enfermedad de Pompe se trata con terapia de reemplazo enzimático (Enzyme replacement therapy, ERT) con GAA recombinante humana (rhGAA). Este tratamiento ha demostrado corregir la patología cardíaca y extender la esperanza de vida de los pacientes. Sin embargo, la eficacia de la ERT en los músculos respiratorios y esqueléticos es parcial, y nula en el sistema nervioso central (SNC). Además, la proteína rhGAA es altamente inmunogénica, por lo que el tratamiento no es efectivo en ciertos pacientes. Otros inconvenientes son el elevado coste de la ERT y la necesidad de infusiones continuadas a lo largo de la vida del paciente. En este estudio mostramos que la terapia génica dirigida al hígado mediante vectores adeno-asociados (AAV) expresando una versión modificada de la GAA revierte de forma significativa la enfermedad a nivel de la musculatura esquelética y del SNC, en un modelo animal de la enfermedad de Pompe. Además, mostramos que este tratamiento es superior en eficacia al tratamiento estándar por ERT, incluso a dosis reducidas de vector AAV. Con tal de comprender mejor los mecanismos de acción de estos dos tratamientos, hemos llevado a cabo un estudio farmacocinético de los niveles de GAA en circulación y en múltiples tejidos en los dos casos. Dicho estudio muestra que niveles reducidos pero constantes de GAA en circulación proporcionados por el hígado permiten una mayor acumulación de GAA en los tejidos en comparación a la ERT, mejorando así la eficacia del tratamiento. Debido a que las reacciones inmunes contra el vector AAV y el transgén son un obstáculo importante en la aplicación clínica de la terapia génica, y a que alteraciones en los lisosomas han demostrado tener un impacto sobre el sistema inmune en diferentes modelos, también hemos estudiado el sistema inmune en el caso de la enfermedad de Pompe. Mediante estos estudios, hemos observado que la acumulación de glucógeno en los lisosomas de células inmunes está asociada a una mayor activación de estas células, tanto en pacientes como en ratones con enfermedad de Pompe, y particularmente en las células T. Además, ratones con enfermedad de Pompe presentan inflamación en los tejidos ya en las primeras etapas de la enfermedad. Por otra parte, mostramos que el mayor estado de activación de las células T podría deberse a alteraciones en el metabolismo de estas células, como resultado de las alteraciones lisosómicas. Finalmente, los ratones con enfermedad de Pompe presentan un defecto en la inducción de células T reguladoras Foxp3+ (Tregs), y estas células tienen un menor potencial inhibidor en comparación con Tregs de ratones sanos. Alteraciones en el sistema inmunitario podrían contribuir a la fisiopatología de la enfermedad. Por lo tanto, estos hallazgos podrían abrir nuevos caminos para investigar estrategias que retrasen la progresión de la enfermedad. Además, las Tregs juegan un papel esencial en la terapia génica dirigida al hígado, mediante la inducción de tolerancia inmune hacia transgenes expresados por hepatocitos. Por lo tanto, futuros estudios deberán evaluar el impacto de las alteraciones inmunitarias asociadas a la enfermedad de Pompe sobre la eficacia de la terapia génica
La malaltia de Pompe és una malaltia lisosomal (lysosomal storage disease, LSD) deguda a mutacions en l'enzim α-glucosidasa àcida (GAA), que hidrolitza el glicogen en glucosa als lisosomes. La disfunció d'aquest enzim causa l'acumulació de glicogen en múltiples teixits, principalment en cèl·lules musculars i neurones. Com a resultat, els pacients presenten hipertròfia cardíaca, debilitat muscular, insuficiència respiratòria, alteracions cognitives i mort prematura per aturada cardiorespiratòria. Actualment, la malaltia de Pompe és tractada amb teràpia de reemplaçament enzimàtic (Enzyme replacement therapy, ERT) amb GAA recombinant humana (rhGAA). Aquest tractament ha demostrat corregir la patologia cardíaca i estendre l'esperança de vida dels pacients. No obstant, l'eficàcia de l'ERT en els músculs respiratoris i esquelètics és parcial, i nul·la en el sistema nerviós central (SNC). A més, la proteïna rhGAA és altament immunogènica, de manera que el tractament no és efectiu en certs pacients. Altres inconvenients són l'elevat cost de l'ERT i la necessitat d'infusions continuades al llarg de la vida del pacient. En aquest estudi mostrem que la teràpia gènica dirigida al fetge mitjançant vectors adeno-associats (AAV) expressant una versió modificada de la GAA millora de forma significativa la malaltia a nivell de la musculatura esquelètica i del SNC, en un model animal de la malaltia de Pompe. A més, mostrem que aquest tractament és superior en eficàcia al tractament estàndard per ERT, fins i tot a dosis reduïdes de vector AAV. Per tal de comprendre millor els mecanismes d'acció d'aquests dos tractaments, hem dut a terme un estudi farmacocinètic dels nivells de GAA en circulació i en múltiples teixits en ambdós casos. Aquest estudi mostra que nivells reduïts però constants de GAA en circulació proporcionats pel fetge permeten una major acumulació de la GAA en els teixits en comparació a la ERT, millorant així l'eficàcia del tractament. Degut a que les reaccions immunes contra el vector AAV i el transgèn són un obstacle important en l'aplicació clínica de la teràpia gènica, i a que alteracions en els lisosomes han demostrat tenir un impacte sobre el sistema immune en differents models, també hem avaluat el sistema immune en el cas de la malaltia de Pompe. Mitjançant aquests estudis, hem observat que l'acumulació de glicogen en els lisosomes de les cèl·lules immunes està associada a una major activació d'aquestes cèl·lules en pacients i ratolins amb malaltia de Pompe, particularment en les cèl·lules T. A més, ratolins amb malaltia de Pompe presenten inflamació dels teixits ja en les primeres etapes de la malaltia. D’altra banda, hem observat que el major estat d'activació de les cèl·lules T podria ser degut a alteracions en el metabolisme d'aquestes cèl·lules, com a resultat de les alteracions lisosomals. Finalment, els ratolins amb malaltia de Pompe presenten un defecte en la inducció de cèl·lules T reguladores Foxp3+ (Tregs), i aquestes cèl·lules tenen un menor potencial inhibidor en comparació amb les Tregs de ratolins sans. Alteracions en el sistema immunitari podrien contribuir a la fisiopatologia de la malaltia. Per tant, aquestes observacions podrien obrir nous camins a l’hora d’investigar estratègies que retardin la progressió de la malaltia. A més, les Tregs juguen un paper essencial en la teràpia gènica dirigida al fetge, mitjançant la inducció de tolerància immune cap a transgens expressats per hepatòcits. Per tant, futurs estudis hauran d'avaluar l'impacte de les alteracions immunitàries associades a la malaltia de Pompe sobre l'eficàcia del tractament per teràpia gènica

La myéline est une gaine formée par l’enroulement de la membrane plasmique de la cellule de Schwann autour de l’axone dans le nerf périphérique. Lorsque cette gaine est détruite, on parle de démyélinisation, cela provoque de nombreuses maladies, dont les maladies de Charcot Marie Tooth (CMT) de type 1. Les maladies CMT sont héréditaires et atteignent le système nerveux périphérique. Les symptômes communs incluent : une faiblesse musculaire, une démarche maladroite, des troubles de l’équilibre et des pieds très cambrés ou très plats. Le type le plus fréquent est la forme autosomique dominante CMT1A.Une duplication du bras court du chromosome 17 contenant le gène PMP22 (Peripheral Myelin Protein 22) induit la CMT1A. La PMP22, une petite protéine exprimée par les cellules de Schwann, est donc en excès et entraine une démyélinisation. Il existe un modèle de rats transgéniques PMP22 (ou rats CMT1A) mimant cette pathologie humaine. Les rats CMT1A surexpriment la pmp22 de souris de façon hétérozygote. Jusqu’à présent, aucun remède n’existe pour les maladies CMT. Un des traitements envisageables est la thérapie génique. Le but de mon projet de thèse était d’étudier la validité et l'efficacité de la thérapie génique chez les rats CMT1A. La stratégie consiste à réduire la surexpression de la protéine PMP22 chez le rat CMT1A à l’aide d’ARNsh anti-PMP22. Pour ne pas être détruits par l’organisme et maintenir une expression longue, ces ARN sh-PMP22 sont transférés chez le rat grâce à des vecteurs viraux dérivés de virus adéno-associés, ou AAV (pour adeno-associated virus). Nous avons donc injecté un des différents sérotypes d'AAV,l'AAV9 exprimant les ARN sh-PMP22 de souris ainsi que la GFP comme marqueur des cellules infectées dans les nerfs sciatiques de rats CMT1A à l’âge de 6 jours ou 7 jours.Nous avons d’abord confirmé que les virus thérapeutiques infectaient une très large proportion de cellules de Schwann dans le nerf sciatique de rat CMT1A et ensuite que l’infection de ces cellules par les virus exprimant les ARN sh-PMP22 induisait une diminution significative de l’expression de la protéine PMP22. L'analyse du phénotype moteur des rats CMT1A traités avec les AAV9 exprimant les ARN sh-PMP22 montre que les rats CMT1A traités ne développent pas la maladie observée dans les contrôles. Également, les rats CMT1A présentent une hypoalgésie, un phénotype qui n’apparait pas dans les CMT1A traités avec les vecteurs thérapeutiques. Le traitement par thérapie génique empêche la réduction de la vitesse de conduction nerveuse observé dans les rats malades. Concernant la biodistribution des virus, 2,5 mois après le traitement, en dehors des nerfs sciatiques ou les virus ont été injectés, le virus était présent dans les muscles qui entourent le nerf et aussi dans quelques ganglion dorsaux. Pour la réponse immunitaire,les rats injectés, à seulement 2 exceptions près, n’ont pas développé de facteurs neutralisants anti-AAV9. Cette thérapie génique pourrait être utilisée dans les essais cliniques.Avant de passer aux études cliniques pour le traitement de la maladie CMT1A à l’aide d’AAV9 exprimant des ARN sh-PMP22 humain, la dose d’expression de ce ARN sh-PMP22 doit être très soigneusement déterminée car si la PMP22 est trop réduite, une autre maladie peut se développer, la neuropathie héréditaire avec hypersensibilité à la pression. Il est aussi important d’avoir un outil bien adapté qui permet d’évaluer l’efficacité du traitement. Aucun existant n’est assez fiable pour mesurer la myéline du nerf périphérique. Pour remédier à ce manque, nous avons testé la technique d'imagerie Coherent Anti-stokes Raman Scattering (CARS) en caractérisant avec succès les défauts de la myéline. Par conséquent, le CARS est une technique prometteuse permettant d’évaluer l’avancement des maladies de la myéline et l’efficacité de nouvelles thérapies pour les neuropathies périphériques démyélinisantes
Myelin, a tissue synthesized by Schwann cells, covers and protects nerves. If damaged, it causes many demyelinating diseases such as the inherited peripheral nervous system disorder Charcot Marie Tooth or CMT type 1. CMT neuropathies display a large variability from one patient to another. Nevertheless, the most common symptoms include muscle weakness, an awkward way of walking (gait), equilibrium problem and highly arched or very flat feet. The most common subtype of CMT is an autosomal dominant disorder known as CMT1A. CMT1A is caused by the duplication of the peripheral myelin protein 22 (PMP22) gene on the short arm of chromosome 17 (17p11.2) resulting in an excess of PMP22. This leads to demyelination. PMP22 is a small protein expressed by Schwann cells. There is still no cure for CMT diseases. One approach for a treatment is gene therapy. The aim of my thesis project was to deliver proof of principle for a gene therapy approach on a CMT1A rat model characterized by extra copies of mouse pmp22 gene (CMT1A rat). The treatment strategy consisted in reducing PMP22 overexpression in CMT1A rats with shRNA against PMP22. Viral vectors like adeno-associated virus (AAV having serotypes from1-10) are used to deliver shRNA in vivo so that they won’t be destroyed by the organism and for them to be long-lasting. Thus, we injected sciatic nerves of 6-7-day-old CMT1A rats with AAV9 expressing shRNA PMP22 with a GFP marker. We first confirmed that the virus highly transduced Schwann cells and that AAV9 shRNA PMP22 decreased PMP22 protein expression in CMT1A rats’ sciatic nerves. CMT1A rats treated with AAV9 shRNA PMP22 showed that they didn’t develop the motor phenotype seen in controls. Moreover, hypoalgesia observed in CMT1A rats was alleviated by treatment. In addition, gene therapy increased the reduced nerve conduction velocity found in CMT1A rats. Concerning safety, no viral off-targets were detected except in muscles close to the injection site (sciatic nerve) and in the dorsal root ganglions. Except for 2 rats, there was no immune response against AAV; no anti-AAV9 neutralizing factors. Consequently, this gene therapy could be used in clinical trials. Before moving to clinical studies, the minimal effective dosage should be very carefully defined because if PMP22 is completely deleted, another disease is caused: Hereditary Neuropathy with Pressure Palsies. It is also crucial to have a strong readout to evaluate the outcome of a treatment. However, no tool consistent enough exists for examining the peripheral nerve. Thus, we tested the label-free imaging technique Coherent Anti-stokes Raman Scattering (CARS) and successfully characterized myelination defects. Consequently, CARS could be used as a consistent outcome measure for developing new therapies for demyelinating peripheral neuropathies

La maladie de Sandhoff est une maladie génétique rare due à des mutations du gène HEXB. Elle se caractérise par un double déficit en hexosaminidase A (αβ) et B (ββ), responsable d’une accumulation de ganglioside GM2 essentiellement dans le système nerveux central (SNC). Cliniquement, la maladie débute dès les premiers mois de vie et le décès survient vers l’âge de 3 ans. A ce jour, aucun traitement n’est disponible pour cette maladie. Le modèle murin obtenu par invalidation du gène Hexb est un bon outil pour le développement d’approches thérapeutiques, car il présente un phénotype proche de la maladie humaine. Le but principal de mon projet de thèse était d’explorer une approche de transfert de gène dans le modèle murin de la maladie de Sandhoff en utilisant un vecteur scAAV9. Ce vecteur a la particularité de pouvoir traverser la barrière hématoencéphalique et de transduire le SNC après administration intraveineuse (IV). Un vecteur codant la chaîne β des hexosaminidases, appelé scAAV9-Hexb, a précédemment été administré par voie IV à des souris en période néonatale à une dose de 3,5 x 1013 vg/kg. Les souris traitées ont survécu comme les souris normales (>700 jours) sans développer d’atteinte neurologique, ni périphérique alors que les souris Sandhoff non traitées sont décédées vers l’âge de 4 mois. J’ai réalisé toutes les analyses à long terme des souris traitées en utilisant des tests de comportements, ainsi que des analyses tissulaires 24 mois après le traitement. Une analyse lipidique par HPTLC a montré que la surcharge en ganglioside GM2 est totalement absente au niveau du cerveau (4 mois après l'injection), alors que dans le cervelet cette accumulation est non significative, mais pas totalement absente. Aucun symptôme lié à cette surcharge n’a été mis en évidence chez les souris à 24 mois, mais nous nous sommes posé la question d’un possible effet délétère à long terme en cas d’extrapolation à la clinique. Nous avons donc décidé de tester une double administration IV + ICV (intracérébroventriculaire) en utilisant le même vecteur et la même dose globale de façon à mieux corriger le cervelet. Deux groupes de souris ont été injectés en période néonatale en utilisant des doses différentes dans les deux compartiments. Les analyses ont montré que dans le cerveau, à court terme, la restauration de l’activité enzymatique est partielle, mais significative. Par ailleurs, il existe une absence totale de surcharge en GM2, ainsi qu’une correction des biomarqueurs associés à la maladie. Dans le cervelet, l’efficacité du traitement a été montrée seulement pour le groupe traité avec la dose la plus importante en ICV, ce qui suggère qu’une dose minimale en ICV est nécessaire pour atteindre de manière globale le SNC. Ces résultats ont été confirmés par l’analyse à long terme. Concernant le foie, nos résultats ont montré qu’une dose IV minimale est nécessaire pour obtenir une baisse de l’accumulation lipidique. Ce travail a permis de définir les doses minimales nécessaires dans chaque compartiment (IV et ICV) et il montre que la double administration peut être avantageuse pour traiter toutes les régions du SNC et notamment les plus atteintes, comme le cervelet. Il va maintenant nous permettre de traiter de façon optimale les souris adultes. L’autre but de mon projet était d’explorer les défauts de signalisation et la physiopathologie cellulaire dans la maladie de Sandhoff en utilisant des études in vivo et in vitro. Les études in vitro ont été réalisées sur des fibroblastes de patients et des cellules embryonnaires murines (MEF) obtenues à partir des souris Hexb-/- et la surcharge lysosomale a été confirmée dans ces cellules. La voie mTOR (mammalian target of rapamycin) a été analysée et nous avons montré qu’elle était dérégulée. L’activité autophagique a aussi été étudiée et nous avons mis en évidence une augmentation du nombre d’autophagosomes chez les souris Hexb-/- suggérant un défaut de cette voie. (...)
Sandhoff disease (SD) is a genetic disorder due to mutations in the HEXB gene. It is characterized by a double Hex A (αβ) and B (ββ) deficiency, responsible for a GM2 accumulation, mainly in the central nervous system (CNS). Clinically, SD begins in the first months of life and culminates in death around 3 years of age. So far, no specific treatment is available for Sandhoff disease. The murine model obtained by invalidation of the Hexb gene is a useful tool for the development of therapeutic approaches, as it exhibits a phenotype quite close to the human disease. The main aim of my PhD project was to explore a gene transfer approach in Sandhoff mice using a specific scAAV9. This vector has the particularity to cross the blood-brain barrier after intravenous (IV) administration and to transduce brain. A vector encoding the hexosaminidases β chain, called scAAV9-Hexb, has been previously IV injected in neonatal Hexb-/- mice with a dose of 3.5 x 1013 vg/kg. I participated to the long-term analysis of the scAAV9-Hexb treated mice using behavioral tests and analysis of tissues at 24 months post-injection. Mice had a survival similar to normal mice (>700 days) without neurological sign and peripheral damage by comparison with naïve Sandhoff mice (death around 120 days). At 4 months post-treatment, lipid analysis using HPTLC showed that GM2 storage was absent in brain, but it was only decreased in cerebellum of treated mice. Even if no symptom was associated with this residual storage in mice at 2 years, we wondered if it could possibly be pathogenic at longer-term if extrapolated to patients. Therefore, we decide to test a combined way of administration i.e. intravenous (IV) + intracerebroventricular (ICV) using the same vector with the same final dose. Two groups of mice were injected using different doses in both compartments and treatment efficacy was evaluated at short- and long-term. In the cerebrum, at short-term, enzymatic activities were partially but significantly restored, GM2 accumulation was completely prevented and disease biomarkers corrected. In the cerebellum, a significant increase of enzymatic activity was only obtained for the group treated with the highest dose in the ICV compartment. Regarding GM2 analysis and long-term behavioral analysis, we confirmed that this dose is required to cure cerebellum. In liver, our results suggest that IV minimal dose is needed to obtain a decrease of lipid accumulation. Our results showed that minimal doses are required in ICV and IV to obtain a good efficacy in each compartments, and that combined administration permit a widespread correction in the CNS. These data will permit to treat adult mice with the optimal treatment. The other goal of my project was to explore signaling defects and cellular pathophysiology in Sandhoff disease using in vivo and in vitro studies. For in vitro studies, fibroblasts from Tay-Sachs and Sandhoff patients were analyzed and mouse embryonic fibroblasts (MEF) were obtained from the Hexb-/- murine model, lysosomal storage was confirmed. mTOR (mammalian target of rapamycin) pathway was studied showing signaling deregulation. Autophagy was analyzed in vitro and in vivo, as defect in this pathway has been reported in other lysosomal storage disorders. An increase of autophagosomes number was observed in Hexb-/- subjects suggesting a defect in autophagy. These results offer novel biomarkers of Sandhoff pathology which can be useful to test the efficacy of therapeutic approaches. They can also provide new therapeutic targets that could be tested in combination with gene transfer

La malaltia de Niemann-Pick tipus C2 (NPC2) és una malaltia minoritària d’acumulació lisosòmica (LSD, Lysosomal Storage Disease) d’herència autosòmica recessiva, causada per la deficiència de la NPC2. La proteïna NPC2 intervé en la sortida del colesterol no esterificat del compartiment endo-lisosòmic. La seva deficiència resulta en l’acumulació patològica del colesterol no esterificat als lisosomes, que condueix a la disfunció i mort cel·lular. Com a conseqüència, el pacients desenvolupen una patologia neurològica severa i de caràcter progressiu, que inclou l’atàxia cerebel·losa, la disàrtria, la disfàgia i la demència; així com una patologia als teixits somàtics relativament més lleu. Els pacients acostumen a morir durant la primera i la segona dècada de vida. Actualment, el tractament amb miglustat, una teràpia de reducció de substrat, és l’únic aprovat per al tractament de la NPC2, que presenta una eficàcia limitada. Així doncs, és necessari desenvolupar noves estratègies terapèutiques més eficaces per al tractament d’aquesta malaltia. La teràpia gènica in vivo basada en l’administració dels vectors virals adeno-associats (AAV, Adeno-Associated Virus) representa una alternativa prometedora, ja que una única administració del tractament permet aconseguir una eficàcia terapèutica a llarg termini. Per tant, l’objectiu d’aquesta tesi doctoral va ser el desenvolupament d’una aproximació de teràpia gènica basada en l’administració de vectors AAV de serotip 9 (AAV9) al líquid cefalorraquidi (LCR) per al tractament de la malaltia de NPC2. En primer lloc, es va caracteritzar un nou ratolí model de la malaltia, generat a partir de la disrupció del gen Npc2. Aquest model va recapitular les principals alteracions patològiques de la malaltia. A la segona part d’aquesta tesi doctoral, es va administrar els vectors AAV9 codificant per la proteïna Npc2 murina directament al LCR als ratolins Npc2-/- de 18 i 30 dies d’edat, quan la patologia ja estava establerta. La transferència gènica mitjançant el vector AAV9-Npc2 va conduir a una marcada reducció de l’acumulació del colesterol no esterificat i de la patologia lisosòmica al sistema nerviós central. Conseqüentment, es va assolir una millora de la mielinització, així com també una reducció de la neurodegeneració i la neuroinflamació. A més a més, part del vector administrat al LCR també va transduir el fetge, el qual va actuar com una bomba secretora de la proteïna i va permetre corregir les alteracions patològiques a la resta d’òrgans perifèrics. Finalment, el tractament amb AAV9-Npc2 va conduir a la normalització dels problemes locomotors, a una millora del pes corporal i a un increment molt marcat de l’esperança de vida. En conjunt, aquests resultats podrien esdevenir la base per a la futura translació clínica de l’aproximació de teràpia gènica mitjançant l’administració intra-LCR del vector AAV9-Npc2 per al tractament de la malaltia de NPC2.
La enfermedad de Niemann-Pick tipo C2 (NPC2) es una enfermedad minoritaria de acumulación lisosomal (LSD, Lysosomal Storage Disease) de herencia autosómica recesiva, causada por la deficiencia de la NPC2. La proteína NPC2 interviene en la salida del colesterol no esterificado del compartimento endo-lisosómico. Su deficiencia resulta en la acumulación patológica del colesterol no esterificado los lisosomas, que conduce a la disfunción y muerte celular. Como consecuencia, los pacientes desarrollan una patología neurológica severa y de carácter progresivo, que incluye la ataxia cerebelosa, la disartria, la disfagia y la demencia; así como una patología en los tejidos somáticos relativamente más leve. Los pacientes suelen morir durante la primera y la segunda década de vida. Actualmente, el tratamiento con miglustat, una terapia de reducción de sustrato es el único aprobado para el tratamiento de la NPC2, que presenta una eficacia limitada. Así pues, es necesario desarrollar nuevas estrategias terapéuticas más eficaces para el tratamiento de esta enfermedad. La terapia génica in vivo basada en la administración de los vectores virales adeno-asociados (AAV, Adeno-Associated Virus) representa una alternativa prometedora, ya que una única administración del tratamiento permite conseguir una eficacia terapéutica a largo plazo. Por lo tanto, el objetivo de esta tesis doctoral fue el desarrollo de una aproximación de terapia génica basada en la administración de vectores AAV de serotipo 9 (AAV9) en líquido cefalorraquídeo (LCR) para el tratamiento de la enfermedad de NPC2. En primer lugar, se caracterizó un nuevo ratón modelo de la enfermedad, generado a partir de la disrupción del gen NPC2. Este modelo recapituló las principales alteraciones patológicas de la enfermedad. En la segunda parte de esta tesis doctoral, se administró los vectores AAV9 codificante para la proteína NPC2 murina directamente al LCR los ratones NPC2-/- de 18 y 30 días de edad, cuando la patología ya estaba establecida. La transferencia génica mediante el vector AAV9-Npc2 condujo a una marcada reducción de la acumulación del colesterol no esterificado y de la patología lisosomal al sistema nervioso central. Consecuentemente, se logró una mejora de la mielinización, así como también una reducción de la neurodegeneración y la neuroinflamación. Además, parte del vector administrado al LCR también fue capaz de transducir el hígado, el cual actuó como una bomba secretora de la proteína y permitió corregir las alteraciones patológicas en el resto de órganos periféricos. Finalmente, el tratamiento con AAV9-Npc2 condujo a la normalización de los problemas locomotores, a una mejora del peso corporal y un incremento muy marcado de la esperanza de vida. En conjunto, estos resultados podrían ser la base para la futura traslación clínica de la aproximación de terapia génica mediante la administración intra-LCR del vector AAV9-Npc2 para el tratamiento de la enfermedad de NPC2.
Niemann-Pick type C2 (NPC2) disease is a rare autosomal recessive lysosomal storage disease caused by deficiency of the NPC2. NPC2 protein is involved in the egress of unesterified cholesterol from the endo-lysosomal compartment to other parts of the cell. Its deficiency leads to pathologic accumulation of cholesterol in lysosomes, which results in cellular damage and cell death. As a consequence, patients develop a severe, progressive neurological disorder, including cerebellar ataxia, dysarthria, dysphagia, and progressive dementia; as well as a relatively mild somatic pathology. Death usually occurs during the first or second decade of life. To date, only substrate reduction therapy with miglustat is approved for the treatment of NPC2, with limited efficacy. Thus, an efficient therapy for the treatment of NPC2 disease represents a highly unmet medical need. In vivo gene therapy with adeno-associated vectors (AAV) offers the possibility of lifetime treatment following a single administration. Therefore, the present work was focused on the development of a new gene therapy approach based on the delivery of AAV serotype 9 (AAV9) into the cerebrospinal fluid (CSF) for the treatment of the NPC2 disease. To this aim, the first part of this work consisted in the characterization of a new mouse model of the disease, generated by targeted disruption of the Npc2 gene, which recapitulated the main hallmarks of the disease. The second part of this work consisted in the assessment of efficacy of a single intra-CSF delivery of AAV9-Npc2 vectors to counteract NPC2 pathology in Npc2-/- mice treated at 18 or 30 days of age, when they already presented an established pathology. AAV9-mediated Npc2 gene transfer led to a significant decrease in unesterified cholesterol storage and lysosomal pathology in the central nervous system. Consequently, an increase of myelination, as well as a reduction in neurodegeneration and neuroinflammation was achieved. Moreover, after AAV9-Npc2 delivery into the CSF, vectors also transduced the liver, providing a peripheral source of the therapeutic protein that corrected cholesterol storage and lysosomal pathology in visceral organs of treated mice. Finally, AAV9-Npc2 treatment also resulted in normalization of locomotor deficits, improved body weight and considerably prolonged the survival of treated Npc2-/- mice. Altogether, the results obtained in the present work supports the clinical translation of the intra-CSF AAV9-Npc2 gene therapy for the treatment of NPC2 disease.
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Bioquímica, Biologia Molecular i Biomedicina

La Malaltia Inflamatòria Intestinal (IBD) engloba un grup de malalties (com la CD i la UC) que es caracteritzen per una inflamació crònica del tub digestiu. La IBD requereix un tractament mèdic i farmacològic a mida, i tot i que actualment existeixen diferents teràpies que permeten millorar la qualitat de vida dels pacients, cap d’aquestes aconsegueix eliminar totalment la malaltia. La teràpia gènica és una de les disciplines de la biomedicina amb més futur pel tractament de malalties d’origen genètic, però també en malalties en que la patologia no està determinada per un sol gen sinó que hi ha una alteració de la homeòstasis del sistema, com en càncer, malalties cardiovasculars o malalties neurològiques. Per tant la teràpia gènica sembla una alternativa prometedora per administrar localment a l’intestí una teràpia per a la IBD. Dintre de la família dels adenovirus, els vectors més utilitzats en teràpia gènica, hi ha el subgrup F (Ad40 i Ad41) amb tropisme intestinal. Aquests adenovirus es caracteritzen per la presència de dos fibers de diferent mida i pel seu pobre creixement in vitro. Mitjançant el pseudotipatge, es pot substituir els gens que codifiquen la proteïna fiber de l’Ad5, un dels vectors més utilitzats en teràpia gènica, per gens que codifiquen per la proteïna fiber curta de l’Ad40. D’aquesta manera, a més de canviar el tropisme natural de l’Ad5 pel tropisme del nou fiber, es millora la seva producció i es facilita la clonació de gens terapèutics. Així doncs, ens vam proposar caracteritzar i analitzar el potencial terapèutic d’adenovirus quimèrics 5/40 de tropisme específic intestinal per a la futura aplicació com vectors de teràpia gènica per a la Malaltia Inflamatòria Intestinal. En la primera part d’aquest treball ens vam centrar en caracteritzar els vectors quimèrics per tal de determinar les possibilitats reals per convertir-se en vectors de teràpia gènica. En primer lloc es va optimitzar el protocol de producció dels vectors, augmentant l’eficiència de 2-4 a 20 i 25 vegades per cada cicle, i es va estudiar quines noves característiques conferia el fiber curt de l’Ad40 a les partícules de l’Ad5. En la segona part es va avaluar la capacitat dels vectors quimèrics com a vectors de teràpia gènica a l’intestí. Es va comprovar que la presència del fiber augmentava la resistència a pH àcid dels vectors (tot i que no a proteases) i es va estudiar la biodistribució i bioseguretat d’aquests vectors en ratolins per tres vies diferents: oral, rectal i intravenosa mitjançant la quantificació de l’expressió de β-gal per luminometria i l’anàlisi histològic i immunohistoquímic de la transfecció adenoviral. Els resultats van mostrar que els adenovirus quimèrics administrats per la via rectal eren més eficients que l’Ad5, transfectant cèl·lules epitelials en vellositats i criptes intestinals, cèl·lules enteroendocrines i macròfags locals de la mucosa intestinal. Un cop avaluada la capacitat dels adenovirus quimèrics d’infectar l’intestí de ratolins sans, es va procedir a avaluar si mantenia la seva infectivitat en un model murí de MMI, escollint el model de colitis induïda per DSS. En la tercera part d’aquest treball es van generar nous vectors quimèrics que permetessin la clonació fàcil i ràpida de qualsevol gen terapèutic. En resum, en aquest treball demostrem que amb el pseudotipatge del fiber curt de l’Ad40 es transfereixen moltes de les característiques singulars dels Adenovirus entèrics, i es proposa un protocol optimitzat per a la seva producció a nivells equivalents als de l’Ad5. Els nostres resultats també suggereixen que l’adenovirus quimèric F/40S es un excel·lent candidat com a vector estratègia de teràpia gènica per a l’administració de gens terapèutics a l’intestí de manera local.
Inflammatory Bowel Disease (IBD) comprises a group of diseases (such as CD and UC) characterized by a chronic inflammation of the digestive tract. The IBD requires a personalized medical and pharmacological approach, and although currently there are different therapies to improve the quality of life of patients, none of these has healed the disease. Gene therapy is one of the most promising biomedical disciplines for the treatment of genetic diseases, but also for other diseases in which the pathology is not determined by a single gene, but there is an alteration of the homeostasis of the system, such as cancer, cardiovascular disease and neurological diseases. Therefore, gene therapy seems a promising alternative to administer local therapy in the intestine for IBD. Within the family of adenovirus vectors, the most used vectors in gene therapy, there is subgroup F adenovirus (Ad40 and Ad41) with intestinal tropism. These adenoviruses are characterized by the presence of two different size fibers and its poor growth in vitro. By pseudotyping technique, you can replace the genes encoding the Ad5 fiber protein, one of the most used adenoviral vector, for the genes encoding the protein of Ad40 short fiber. Thus, besides changing the natural tropism of Ad5 tropism by the new fiber, it improves production and simplify the cloning of therapeutic genes. Therefore, we decided to analyse and characterize the therapeutic potential of chimeric adenovirus 5/40 specific intestinal tropism for future use as gene therapy vectors for Inflammatory Bowel Disease. In the first part of this work, we focused on characterizing the chimeric vector to determine the real possibilities to become gene therapy vectors. Firstly, we optimize the protocol for the vectors production, increasing the efficiency from 2-4 times to 20 and 25 times per cycle, and we studied what new features the Ad40 short fiber transferred to Ad5 particles. In the second part, we evaluate the ability of chimeric vectors as gene therapy vectors in the intestine. We found that the presence of fiber increased vectors resistance to acidic pH (but not to proteases) and we studied the biodistribution and biosafety of these vectors in mice by three different routes: oral, rectal and intravenous by quantifying the expression of β-gal luminometry and by histology and immunohistochemistry analysis of adenoviral transfection. The results showed that the chimeric adenovirus administered by rectal route were more efficient than Ad5, transfecting intestinal epithelial cells in villi and crypts, and enteroendocrine cells and local macrophages in intestinal mucosa. After evaluating the ability of chimeric adenovirus to infect the intestines of healthy mice, we proceeded to assess their infectivity capacity in a MMI animal model of MMI, choosing the model of DSS-induced colitis mice. In the third part of this work, we generate new chimeric vectors that allow easy and fast cloning of any therapeutic gene. In summary, this work shows that the short fiber of the Ad40 pseudotipying transferred many of the unique characteristics of enteric adenovirus, and it proposes an optimized protocol for production levels equivalent to the Ad5. Our results also suggest that the chimeric adenovirus F/40S is an excellent candidate as a gene therapy vector for for the local administration of therapeutic genes in the gut

El MNGIE és una malaltia mitocondrial d’herència autosòmica recessiva causada per mutacions en el gen TYMP, que codifica l’enzim timidina fosforilasa (TP). La TP catalitza la degradació de timidina (dThd) i desoxiuridina (dUrd), i la seva absència en pacients causa l’acumulació sistèmica d’aquests metabòlits, tòxica per la funció mitocondrial. A dia d’avui les úniques teràpies efectives són el transplantament de cèl·lules mare hematopoètiques i el transplantament de fetge. No obstant, els transplantaments estan limitats per la necessitat d’un donant compatible i tenen una taxa de mortalitat i morbiditat associada especialment elevada en pacients de MNGIE. Per a superar aquests inconvenients, fa temps vam proposar la teràpia gènica mitjançant vectors adenoassociats (rAAV) dirigits al fetge com a alternativa terapèutica, i vam demostrar la seva viabilitat en el model animal de MNGIE, el ratolí doble knockout (dKO) Tymp-/-Upp1-/-. Però aquest model només presenta fenotip bioquímic, de manera que només vam poder demostrar la correcció d’aquest fenotip. Al 2014 es va descriure que augmentant el desequilibri metabòlic mitjançant l’administració oral de dThd i dUrd al model dKO durant tota la seva vida provocava l’aparició d’alguns trets que reproduïen la simptomatologia clínica dels pacients. En aquesta tesi hem estudiat l’ús de la teràpia gènica en aquest model millorat, mitjançant el tractament amb tres rAAVs que expressaven la seqüència codificant de TYMP sota el control de 3 promotors hepàtics a diferents dosis. El tractament amb rAAV va incrementar l’activitat TP en fetge i va disminuir la concentració sistèmica de nucleòsids dels ratolins dKO, que sense tractament eren 30 vegades superiors als valors normals. A nivell fenotípic, en la majoria dels ratolins, el tractament també va prevenir l’increment del volum dels ventricles cerebrals i el deteriorament motor observats en els ratolins no tractats. Quan vam comparar els tres vectors utilitzats, el rAAV amb el promotor de l’alfa-1-antitripsina (AAT) va ser el més eficaç. Aquests resultats confirmen que la teràpia gènica mediada per rAAV dirigida al fetge restaura l’homeòstasi bioquímica i demostren la prevenció de l’aparició del fenotip clínic del model animal millorat de MNGIE. Un altre aspecte important per a la translació de la teràpia a la pràctica clínica és optimitzar el vector per tal de reduir-ne la dosi efectiva. En aquest sentit, hem testat dues aproximacions: la modificació de la seqüència codificant (ADNc) del gen segons la freqüència d’ús de codó per a incrementar la seva expressió, i l’eliminació dels dinucleòtids CpG de l’ADNc del gen per a reduir la immunogenicitat del vector. Vam dissenyar quatre seqüències optimitzades de l’ADNc de TYMP amb 4 algoritmes diferents. Vam generar vectors lentivirals per transduir 4 línies cel·lulars humanes i determinar l’eficiència d’expressió de cada seqüència comparada amb la seqüència salvatge, tenint en compte el grau d’activitat TP, el número de còpies del vector i els nivells relatius d’ARNm. De tots els experiments, només una seqüència optimitzada va millorar el grau d’expressió de TYMP respecte el de la seqüència salvatge en la línia cel·lular hepàtica Huh7. Pel que fa a la reducció de la immunogenicitat del vector, vam eliminar els dinucleòtids CpG de les seqüències dissenyades i vam analitzar el grau d’expressió de TYMP. Només la seqüència salvatge sense dinucleòtids CpG es va acostar a l’expressió de la seqüència natural. Tot i que s’hi observa una reducció d’expressió aproximada del 20%, es compensa per l’avantatge que aporta en termes de reducció de la resposta immunològica de cara a l’ús clínic del vector. En conclusió recomanem aquesta versió sota la regulació del promotor AAT per a ús eventual en la pràctica clínica.
El MNGIE (Mitochondrial NeuroGastroIntestinal Encephalomyopathy) es una enfermedad mitocondrial de herencia autosómica recesiva causada por mutaciones en el gen TYMP, que codifica la enzima timidina fosforilasa (TP). La TP cataliza la degradación de timidina (dThd) y desoxiuridina (dUrd), y su ausencia en pacientes causa la acumulación sistémica de estos metabolitos, tóxica para la función mitocondrial. Hoy en día, las únicas terapias efectives son el trasplante de células madre hematopoyéticas y el trasplante de hígado. No obstante, los trasplantes están limitados por la necesidad de un donante compatible y tienen una tasa de mortalidad y morbididad asociada especialmente elevada en pacientes de MNGIE. Para superar estos inconvenientes, hace tiempo propusimos la terapia génica mediante vectores adenoasociados (rAAV) dirigidos al hígado como alternativa terapéutica, y demostramos su viabilidad en el modelo animal de MNGIE, el ratón doble knockout (dKO) Tymp-/-Upp1-/-. Pero este modelo solo presenta fenotipo bioquímico, de forma que solo pudimos demostrar la corrección de este fenotipo. En 2014 se describió que aumentando el desequilibrio metabólico mediante la administración oral de dThd y dUrd al modelo dKO durante toda su vida provocaba la aparición de algunos rasgos que reproducían la sintomatología clínica de los pacientes. En esta tesis hemos estudiado el uso de la terapia génica en este modelo mejorado, mediante el tratamiento con tres rAAVs que expresan la secuencia codificante de TYMP bajo el control de tres promotores hepáticos a distintas dosis. El tratamiento con rAAV incrementó la actividad TP hepática y disminuyo la concentración sistémica de nucleósidos de los ratones dKO, (sin tratamiento eren 30 veces superiores a los valores normales). A nivel fenotípico, en la mayoría de los ratones, el tratamiento también previno el aumento del volumen de los ventrículos cerebrales y el deterioro motor observados en los ratones no tratados. Cuando comparamos los tres vectores utilitzados, el rAAV con el promotor de la alfa-1-antitripsina (AAT) fue el más eficaz. Estos resultados confirman que la terapia génica por rAAV dirigida al hígado restaura la homeóstasis bioquímica y demuestran la prevención de la aparición del fenotipo clínico del modelo animal mejorado de MNGIE. Otro aspecto importante para la translación de la terapia a la práctica clínica es optimizar el vector para reducir la dosis efectiva. En este sentido, hemos testado dos aproximaciones: la modificación de la secuencia codificante (ADNc) del gen según la frecuencia de uso de codón para aumentar su expresión, y la eliminación de los dinucleótidos CpG del ADNc del gen para reducir la immunogenicidad del vector. Diseñamos cuatro secuencies optimizadas del ADNc de TYMP utilitzando 4 algoritmos diferentes. Generamos vectores lentivirales para transducir 4 líneas celulares humanas y determinar la eficiencia de expresión de cada secuencia comparada con la secuencia natural, teniendo en cuenta el grado de actividad TP, el número de copias del vector y los niveles relativos de ARNm. De todos los experimentos, solo una secuencia optimizada mejoró el grado de expresión de TYMP comparado con el de la secuencia natural, en la línea celular hepática Huh7. En cuanto a la reducción de la immunogenicidad del vector, eliminamos los dinucleótidos CpG de las secuencias diseñadas y analizamos el nivel de expresión de TYMP. Solo la secuencia natural sin dinucleótidos CpG se acercó a la expresión de la secuencia natural. Aunque se observa una reducción de expresión aproximada del 20%, se compensa con la ventaja que aporta en términos de reducción de la respuesta inmunológica de cara al uso clínico del vector. En conclusión, entre las opciones testadas, recomendamos el rAAV que contiene el ADNc natural de TYMP sin dinucleótidos CpG bajo el control del promotor AAT para un uso eventual en la práctica clínica.
MNGIE (Mitochondrial NeuroGastroIntestinal Encephalomyopathy) is an autosomal recessive disease caused by mutations in TYMP, which encodes for the enzyme thymidine phosphorylase (TP). TP catalyses the first step of the catabolism of the nucleosides thymidine (dThd) and deoxyuridine (dUrd). The lack of TP activity causes systemic nucleoside accumulation which is toxic for mitochondrial function. Nowadays, the only available therapies for MNGIE are allogeneic hematopoetic stem cell transplantation or liver transplantation. However, these treatments are limited by the need of a compatible donor and are associated to high mortality and morbidity rates in MNGIE patients. To overcome these limitations, our laboratory proposed adenoassociated virus (rAAV) mediated gene therapy targeted to the liver for MNGIE and demonstrated its feasibility in the Tymp-/- Upp1-/- (dKO) mouse model of the disease. However, dKO mice show biochemical phenotype only, therefore we could only demonstrate the efficacy of our approach at the biochemical level. In 2014 it was reported that increasing the biochemical imbalances of the dKO model by chronic oral administration of dThd and dUrd to dKO mice over their entire life induced some features that recapitulate part of the clinical manifestations observed in patients. In this thesis we have studied the effect of gene therapy in this enhanced model, by treating the animals with three rAAVs expressing the human TYMP coding sequence under the control of three different liver-specific promoters. rAAV treatment increased liver TP activity and limited the systemic nucleoside concentration present in the dKO enhanced model, which was 30-fold higher as compared with non-exposed wild-type mice. AAV-treatment also prevented, in most animals, the enlarged brain ventricles and the motor impairment observed in the exposed dKO mice. When we compared the three promoters tested, the rAAV containing the AAT promoter showed the best efficacy. These results confirm that AAV-mediated gene therapy restores the biochemical homeostasis and demonstrate that this treatment prevents the clinical phenotype developed by the enhanced murine model of MNGIE. Another key point for the clinical translation of gene therapy is the optimization of the therapeutic gene expression to reduce the vector dose. For this reason, we tested two approaches: modification of the coding sequence of TYMP based on the codon use frequency to increase the expression of the gene, and CpG dinucleotide removal from the coding sequence to reduce immunogenicity of the vector. We designed four different codon-optimized sequences of the TYMP coding sequence, using four different algorithms. We cloned each optimized sequence in a lentiviral vector and transduced 4 different human cell lines. We analysed the degree of expression achieved with each sequence, as compared with the non-optimized wild-type TYMP sequence through evaluation of TP activity, vector copy number, and mRNA levels in the cell lines. Among all the sequences studied, only one optimized sequence resulted in higher TP activity when expressed per vector copy number in the hepatic cell line Huh7. To reduce the immunogenicity of the vector we removed the CpG dinucleotides from the wild-type coding TYMP sequence and two codon-optimized TYMP sequences. The wild-type sequence without CpG was the only one showing expression levels similar to those of the wild-type sequence. Even though the CpG free sequence shows a reduced expression of about 20% of that observed in the wild-type sequence, it is compensated by the advantages associated to the absence of CpG sites in terms of reduction of the immunological response when considering the vector for clinical use. In conclusion, among the different options tested, we recommend the rAAV vector containing the wild-type coding TYMP CpG-free sequence under the control of the AAT promoter for its use in the clinical practice.
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Bioquímica, Biologia Molecular i Biomedicina

L'agrégation de l'α-synucléine (α-syn) est au coeur du processus pathologique observé dans la maladie de Parkinson ou l'atrophie multi systèmatisée. La β-synucléine (β-syn) ressemble à l'α-syn mais pourrait avoir un rôle neuroprotecteur en inhibant l'agrégation de l'α- syn. Le but de cette thèse était de mettre en place et de tester chez la souris une stratégie thérapeutique visant à inhiber l'agrégation de l'α-syn en faisant exprimer la β-syn humaine via des vecteurs viraux adéno-associés (AAV). Nous avons d'abord caractérisé un modèle de synucléinopathie, la souris transgénique M83. Ces souris expriment l'α-syn humaine mutée en A53T, et développent une pathologie sévère associée à l'agrégation de l'α-syn. Nos résultats confirment le fait que l'agrégation de l'α-syn peut se propager à partir de l'injection périphérique de forme agrégée de la protéine, vers le système nerveux central. De plus, ils montrent que l'accumulation de l'α-syn pathologique chez la souris M83 malade dépend de l'inoculum utilisé pour accélérer leur pathologie et du niveau d'expression de l'α-syn mutée en A53T chez ces souris. Les essais de thérapie génique réalisés dans ce modèle M83 suggèrent que, quelle que soit la stratégie d'injection du vecteur AAV utilisée, la β-syn n'a pas eu d'effet protecteur détecté contre l'agrégation de l'α-syn. Une expression durable de la protéine β-syn humaine chez les souris M83 malades inoculées avec le vecteur AAV véhiculant le gène de la β-syn a pourtant été confirmée. Cependant, la β-syn pourrait s'être agrégée dans nos conditions expérimentales, comme cela a été précédemment décrit, ce qui pourrait peut-être expliquer l'absence d'effet protecteur détecté
The aggregation of α-synuclein (α-syn) is central in the pathological process observed in Parkinson’s disease or multiple system atrophy. Β synuclein (β-syn) shares some similarities with α-syn but may have a neuroprotective effect by inhibiting the aggregation of α-syn. The goal of this thesis was to develop and to test a therapeutical strategy potentially able to inhibit the aggregation of α-syn by expressing human β-syn using adeno-associated vectors (AAV). First, we characterized a model of synucleinopathy, the M83 transgenic mouse. These mice express the human A53T mutated α-syn and develop a severe disease associated with the aggregation of α-syn. Our results confirm the ability of the aggregation of α-syn to spread through the central nervous system following a peripheral injection of aggregates of α-syn. Furthermore, they show that the accumulation of pathological α-syn in sick M83 mice depends on the inoculum used to accelerate their disease and the expression level of human A53T mutated α-syn in these mice. Gene therapy trials realized in the M83 model suggest that, regardless the strategy used to inject AAV vector, β syn did not have a protective effect against the aggregation of α-syn. A lasting expression of the human β-syn protein was however detected in sick M83 mice injected with AAV vector carrying human β-syn gene. Nevertheless, β-syn could have aggregated in our specific experimental conditions, as this has already been described, which might explain the absence of protective effect detected

Une des principales caractéristiques de la maladie d'Alzheimer (MA) est l'accumulation intracérébrale du peptide neurotoxique Amyloïde β (Aβ) sous forme oligomérique et sous forme agrégée en plaques amyloïdes. Ce peptide est le produit du clivage de l'Amyloid Precursor Protein (APP) selon la voie amyloïdogène, voie pathologique suractivée dans la MA. La majorité des recherches, au cours des 25 dernières années, se sont concentrées sur les conséquences pathologiques de cette dérégulation, mettant au second plan la compréhension des fonctions physiologiques de l’APP. Cependant, de nombreuses études montrent que ses fonctions physiologiques pourraient être médiées par ses formes solubles (APPs). Dans la voie de clivage physiologique, la voie non-amyloïdogène, l’APP est clivé par l’α secrétase pour libérer l’APPsα, peptide disposant de propriétés neuroprotectrices et synaptotrophiques, essentielles au bon fonctionnement cérébral. Dans le contexte de la MA, la suractivation de la voie amyloïdogène va aboutir à la production de l’APPsβ au détriment de celle d’APPsα. Les conséquences fonctionnelles associées à la maladie d’Alzheimer pourraient ainsi être dues à la diminution de la production d’APPsα associée à une augmentation de la production d’APPsβ. Mon projet de thèse porta sur les conséquences mnésiques et fonctionnelles de la surexpression de ces deux formes et à leur potentiel thérapeutique dans la maladie d’Alzheimer. Nous avons tout d’abord surexprimé l’APPsα dans les neurones de l’hippocampe de souris transgéniques APP/PS1ΔE9, modèle de la MA, qui présentent des déficits cognitifs et synaptiques. L’expression continue d’APPsα, à l’aide de vecteurs AAV, permet la restauration des performances mnésiques des souris, de la potentialisation à long terme (LTP) ainsi que du nombre d’épines dendritiques dans l’hippocampe. Ce sauvetage phénotypique s’accompagne de la diminution conjointe des niveaux d’Aβ et des plaques amyloïdes. Ceci serait en partie la conséquence de l’activation de la microglie, type cellulaire ayant la capacité d’internaliser et de dégrader l’Aβ. Mon second axe de recherche a consisté à étudier l’APPsβ dont l’implication dans la MA reste méconnue. Sa surexpression dans le modèle murin APP/PS1ΔE9 n’induit pas de restauration de la LTP ni de la mémoire spatiale. Néanmoins, l’injection d’APPsβ aboutit à la diminution de la concentration en Aβ solubles sans cependant réduire le nombre de plaques amyloïdes. Ce défaut pourrait-être la conséquence de l’absence d’activation microgliale. En résumé, mon travail de thèse montre que, contrairement à l’APPsβ, la surexpression d’APPsα pourrait contrecarrer l’évolution inéluctable de la maladie et en particulier en réduisant l’atteinte synaptique et mnésique caractéristique de la MA. Ces résultats renforcent une nouvelle voie d’action pour lutter contre la progression de la MA. L’utilisation de l’APPsα en tant qu’agent thérapeutique pourrait ainsi s’avérer être un élément important dans l’arsenal clinique de ces prochaines années
One of the main characteristic of Alzheimer’s Disease (AD) is the intracerebral accumulation of the neurotoxic Amyloid β peptide (Aβ) either as oligomeric or aggregated forms known as the amyloid plaques. This peptide is produced via the Amyloid Precursor Protein (APP) processing following the amyloidogenic pathway, pathological pathway overactivated in AD. Most of the research performed during the last 25 years focused on pathogenic consequences of this dysregulation, deprioritizing the understanding of the APP physiological functions. Nonetheless, numerous studies show that these physiological functions might be mediated via APP soluble forms (APPs). In the physiological APP processing pathway, the non-amyloidogenic pathway, APP is cleaved by the α secretase, releasing the APPsα which display neuroprotective and synaptotrophic properties, essential for brain normal functions. In the context of AD, the amyloidogenic pathway overactivation leads to APPsβ overproduction at the expense of APPsα. Therefore, AD harmful consequences could be due to the decrease of APPsα concentration associated with an increase of APPsβ. My thesis project aimed to characterize mnemonic and functional properties following the overexpression of these two soluble forms of APP and their therapeutic potential in AD. We firstly overexpressed APPsα in hippocampal neurons of APP/PS1ΔE9 mice, animal model of AD, which display cognitive and synaptic deficits. The continual expression of APPsα, mediated via AAV viruses, enabled restoration of spatial memory, long-term potentiation and dendritic spines density in the hippocampus. This phenotypic rescue was accompanied with the decrease of both Aβ levels and amyloid plaques. This might be due to the activation of microglia, cell type able to internalize and degrade Aβ. In a second hand, I studied the involvement of APPsβ in AD, which remains poorly known. Its overexpression in APP/PS1ΔE9 did not induce neither LTP nor spatial memory restoration. However, APPsβ injection lead to the decrease of Aβ levels without reducing amyloid plaques. This default might be due to the lack of microglial activation. In conclusion, my thesis work show that, unlike APPsβ, APPsα overexpression might overcome the AD inevitable evolution by reducing synaptic and memory alterations, typical of AD. These results reinforce a new way of treatment to cope with AD progression. The use of APPsα as therapeutic agent might be an important tool for future AD therapies