Therapeutic Efficacy Of Intrathecal Administration Of AAVrh10-mHEXA Vector In A Mouse Model Of Tay-Sachs Disease

Abstract

Tay-Sachs hastalığı, bir lizozomal depolama hastalığıdır ve HEXA genindeki mutasyonlar sonucu oluşmaktadrr. HEXA geni, GM2 gangliosidini parçalamaktan sorumlu β-hekzosaminidaz A enziminin α-alt birimini kodlar. Son zamanlarda, Hexa ve Neu3 genlerinin birleşik eksikliklerine sahip Tay-Sachs hastalığı fare modeli (DKO fareleri), şiddetli nöropatolojik semptomlar ve nöroinflamasyon sergileyerek 20 haftaya kadar hayatta kalmıştır. Birçok lizozomal depolama hastalığı için tedavi stratejileri değerlendirilmiş olsa da, Tay-Sachs hastalığı için etkin tedaviler henüz geliştirilememiştir. Bu çalışmada, AAVrh10-mHexa (AAV) vektörünün intratekal uygulanmasının DKO farelerinde terapötik etkinliğini araştırmayı amaçladık. Ayrıca, AAV ilişkili gen tedavisi ile bir anti-inflamatuar ajanı olan istradefylline tedavisinin, DKO farelerinde nöroinflamasyonu hafifletme potansiyelini değerlendirdik. Moleküler biyolojik, immünohistokimyasal ve davranışsal analizler yapıldı. AAV tek başına ve istradefylline ile kombinasyon halinde uygulandıktan sonra DKO farelerinin yaşam süresinin 30 haftaya kadar uzadığını gösterdik. Moleküler biyolojik analizler, AAV tedavisi uygulanan ve istradefylline ile kombinasyon halinde tedavi edilen DKO farelerinin korteks, beyincik ve böbrek, karaciğer ve dalak gibi organlarında Hexa aktivitesinin arttığını ve lizozomal markerlar ile pro-inflamatuar sitokinler olan Ccl2 ve Ccl3 seviyelerinin azaldığını ortaya koydu. İmmünohistokimyasal veriler, AAV ve AAV-istradefylline kombinasyonu ile tedavi edilen farelerin beyinlerinde GM2 birikintisinin temizlendiğini, lizozom sayılarının azaldığını, aktif astrosit düzeylerinin düştüğünü ve nöronlar ile oligodendrositlerde iyileşmeler olduğunu gösterdi. Ayrıca, bu farelerde motor aktivitesi de iyileşti. Bu sonuçlar, AAVrh10 ilişkili intratekal uygulamanın, tek başına veya istradefylline ile kombinasyon halinde, Tay-Sachs hastalığını tedavi etmek için umut verici bir terapötik yaklaşım olduğunu göstermektedir.

Tay-Sachs disease, a lysosomal storage disorder, is caused by mutations in HEXA gene, which encodes α-subunit of β-hexosaminidase A, an enzyme responsible for degrading GM2 ganglioside. Recently, Tay-Sachs disease mouse model (DKO mice) with combined Hexa and Neu3 gene deficiencies exhibited severe neuropathological symptoms and neuroinflammation, surviving up to 20 weeks. Although therapeutic strategies have been evaluated for several lysosomal storage disorders, effective treatments for Tay-Sachs disease have not yet been developed. Here, we aimed to investigate therapeutic efficacy of intrathecal administration of AAVrh10-mHexa (AAV), expressing mouse Hexa, in DKO mice. Additionally, we assessed combined treatment of AAV-based gene therapy and istradefylline treatment, anti-inflammatory agent, for its potential to alleviate neuroinflammation in DKO mice. Molecular biological, immunohistochemical, and behavioral analyses were conducted. We demonstrated that life span of DKO mice extended up to 30 weeks following administration of AAV alone and in combination with istradefylline. Molecular biological analyses revealed elevated mouse Hexa activity and reduced expression levels of lysosomal marker, and pro-inflammatory cytokines, Ccl2 and Ccl3, in cortex, cerebellum, and organs including kidney, liver and spleen of DKO mice administered with AAV alone and in combination with istradefylline. Immunohistochemistry data showed clearance of GM2 accumulation, reduced lysosome numbers, lower levels of active astrocytes, and improvements in neurons and oligodendrocytes in brain of DKO mice administered with AAV and AAV combined with istradefylline. Motor activity also improved in these mice. Our data suggest that AAVrh10-based intrathecal administration, alone or combined with istradefylline, is a promising therapeutic approach for treating Tay-Sachs disease.