Reciblage de nanoparticules lipidiques pour la modification génétique sûre des cellules musculaires // retargeting of lipid nanoparticles for the safe gene editing of muscle cells

Topic description

Il existe plus de 10 maladies génétiques. Rares individuellement, elles touchent collectivement près de 1 % de la population mondiale. Parmi elles, les maladies neuromusculaires, musculo‑squelettiques et métaboliques affectant le muscle comptent parmi les principales causes d'invalidité en Europe, touchant de nombreuses catégories socio‑économiques. Les dystrophies musculaires en sont l'exemple type : maladies graves et rares, débutant de l'enfance à l'âge adulte et caractérisées par une fonte musculaire, une mobilité réduite, une baisse de qualité de vie et une mortalité prématurée [1].
La thérapie génique vise à traiter ces maladies en apportant une copie fonctionnelle du gène déficient. La thérapie génique in vivo, en expansion rapide, compte déjà plusieurs produits commercialisés. Les approches actuelles reposent surtout sur des vecteurs AAV. Malgré l'approbation récente d'Elevidys (microdystrophine AAV‑rh74 pour la DMD), son efficacité reste limitée, probablement en raison du trop faible ciblage musculaire de l'AAV‑rh74 et de l'usage d'une microdystrophine, la dystrophine complète ne pouvant tenir dans une capside AAV.
Une alternative consiste à corriger le gène via un système CRISPR/Cas9. De nombreuses études positives ont été rapportées, souvent en utilisant des AAV, y compris in vivo [2]. Cependant, les AAV présentent des limites importantes : 1) leur faible capacité impose parfois l'emploi de plusieurs vecteurs, réduisant l'efficacité ; 2) les séquences codant Cas9 et les gRNA restent sous forme d'ADN stable dans les cellules terminales pendant des années, entraînant un risque d'expression prolongée d'une endonucléase, problématique pour les autorités de régulation.
Nous proposons donc d'utiliser des nanoparticules lipidiques (LNP) pour délivrer CRISPR/Cas9 dans une approche de correction génique. Comme l'ont montré les vaccins COVID‑19, les LNP sont sûres, réutilisables et adaptées à l'administration d'ARNm, limitant l'activité persistante de Cas9 et les risques génotoxiques. Une première preuve de concept a été publiée cette année : une LNP contenant Cas9 et deux gRNA, injectée intramusculairement, a permis la suppression d'un exon muté [3]. Toutefois, cette étude rapporte que Cas9 était davantage exprimée dans les fibroblastes et autres cellules non musculaires que dans les fibres et cellules satellites, probablement parce que les LNP conventionnelles pénètrent via le récepteur LDL, présent dans la plupart des cellules.
Nous visons donc à recibler les LNP en combinant : 1) l'optimisation de leur composition lipidique ; 2) la fonctionnalisation de leur surface avec des fragments variables d'anticorps à domaine unique (nanocorps) se liant spécifiquement aux cellules musculaires [4,5]. Une large collection de nanocorps dirigés contre le muscle est déjà disponible au laboratoire grâce à un projet antérieur. Les couples LNP‑nanocorps seront testés sur des cellules musculaires dérivées d'iPSC humaines, ainsi que chez la souris, par injections intramusculaire et intraveineuse. Le candidat le plus performant sera ensuite utilisé dans une stratégie d'édition génique pour traiter la DMD.
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There are over 10, genetic disorders and while they are rare individually, they cumulatively affect around one percent of the world's population. Neuromuscular disorders, musculoskeletal disorders, and metabolic diseases that affect muscle function are amongst the most frequent causes of disability in Europe, affecting a large socioeconomic spectrum. The archetype is muscular dystrophy, a group of severe, rare disorders that manifest from infancy to adulthood. These genetic diseases are characterized by severe skeletal muscle wasting, impaired mobility, reduction of quality of life and premature death.[1]
Gene therapy offers a solution to treating many of these disorders by supplying a healthy copy of the causative gene to patients. In vivo gene therapy is a growing field not only of research, but of health care with several market approved therapies. The current generation of gene therapies use a vector system based on adeno-associated virus (AAV)-derived vectors. Despite the recent approval of Elevidys (AAV-rh74-delivered micro-dystrophin to treat Duchenne Muscular Dystrophy[DMD]) it is unclear how effective the treatment is, most likely due to limited muscle targeting of AAV-rh74 and the use of a micro-dystrophin cassette rather than the full-length dystrophin, which would not fit into an AAV capsid.
An alternative approach to the use of AAV capsids that deliver a shortened copy of dystrophin, would be the delivery of gene editing machinery based on clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated protein 9 (Cas9). Numerous successful approaches of this strategy have been published in the past, many of which have used AAV as the gene delivery vector, particularly in vivo.[2] However, AAV vectors have significant safety and efficiency shortfalls in gene editing applications. 1: They have a small cargo capacity and two or more AAV vectors must be delivered in parallel in some gene editing applications, seriously lowering efficiency. 2: The Cas9 and gRNA coding sequences and regulatory elements are part of the AAV genome which could be stable in terminally differentiated cells for a decade or more. The risk of a DNA cutting enzyme such as Cas9 to be expressed in patients' muscles for the rest of their life is likely unacceptable for regulatory bodies.
Therefore, we are proposing to use lipid nanoparticles (LNPs) instead of AAVs to deliver CRISPR/Cas9 in a gene correction approach. As evidenced by COVID vaccines, LNP are safe to use, can be reapplied if needed, and can be used to delivery mRNA, thereby removing many safety concerns such as the long-term Cas9 activity and genotoxic risks. This approach was pioneered earlier this year by removing a mutated exon through intramuscular delivery of an LNP-carrying Cas9 and two guide RNAs.[3] While this approach was overall successful, the authors report that fibroblasts and other non-muscle cells were expressing Cas9 more efficiently than muscle cells and satellite cells. This was most likely due to the fact that conventional LNPs enter cells through the almost ubiquitous LDL receptor.
Hence, we aim to retarget LNPs using a dual strategy of optimising the lipid composition as well as decorating the surface with novel muscle cell binding variable fragments of single domain antibodies (nanobodies).[4, 5] A large library of muscle targeting nanobodies is available in the lab due to a prior project. LNP-nanobody combinations will be tested on human iPSC-derived muscle cells and in mice using intramuscular and intravenous injection. The top performing candidate will be used in a gene editing approach to treat DMD.
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Début de la thèse : 01/10/
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