Terapia génica y farmacológica para la encefalopatía mitocondrial asociada a la deficiencia en CoQ

  1. Barriocanal Casado, Eliana
Supervised by:
  1. Luis Carlos López García Director
  2. Francisco Martin Molina Director

Defence university: Universidad de Granada

Fecha de defensa: 14 June 2019

Committee:
  1. José Manuel Villalba Montoro Chair
  2. Jesús Rodríguez Huertas Secretary
  3. Carolina Anneliese Doerrier Velasco Committee member
  4. Elena Gonzalez-Rey Committee member
  5. Gloria González Aseguinolaza Committee member
Department:
  1. FISIOLOGÍA

Type: Thesis

Abstract

La mitocondria es un orgánulo fundamental presente en la mayoría de las células del organismo donde se llevan a cabo muchas reacciones y procesos metabólicos celulares, entre ellos la producción de la mayor parte de la energía que necesitan las células en forma de ATP a través de la cadena de transporte de electrones acoplada a una fosforilación oxidativa. Por ello, un fallo en cualquiera de los múltiples procesos que integra la mitocondria o que puedan afectar a su estructura desencadena las llamadas enfermedades mitocondriales. Si bien, éstas se definen comúnmente como aquellas que afectan directa o indirectamente a la cadena respiratoria mitocondrial y, por tanto, presentan defectos en la fosforilación oxidativa y la producción de ATP. Así, las enfermedades mitocondriales constituyen un conjunto muy heterogéneo de enfermedades genéticas que afectan a 1 de cada 5.000 personas en el mundo, con distinto grado de severidad y que pueden manifestarse con daños en cualquier órgano o tejido, con frecuencia en múltiples sistemas y, de forma predominante, con manifestaciones miopáticas y neurológicas. A día de hoy no existe cura para la mayoría de estas enfermedades y los tratamientos se limitan a cuidados paliativos basados en distintos suplementos, ejercicio o intervenciones en caso de complicaciones. La rapamicina, un inhibidor del complejo mTORC1, ha emergido recientemente como una droga potencialmente terapéutica para las enfermedades mitocondriales, ya que ha mostrado ciertos beneficios terapéuticos en algunos modelos de ratón con distintas enfermedades mitocondriales. Sin embargo, el mecanismo terapéutico de la rapamicina en estos casos no está claro, y tampoco se sabe si esta terapia puede utilizarse de forma general para las enfermedes mitocondriales, ni cuál sería la dosis mínima efectiva. Nosotros hemos evaluado si la administración crónica de rapamicina tanto a dosis baja como a dosis alta podría tener efectos terapéuticos en el modelo de ratón Coq9R239X de encefalopatía mitocondrial asociada a una deficiencia generalizada y muy severa en coenzima Q (CoQ), un transportador de electrones de la cadena respiratoria mitocondrial. Nuestros resultados muestran que la rapamicina a dosis baja induce cambios metabólicos en el hígado y altera el perfil transcriptómico en el mesencéfalo. La dosis alta induce cambios transcriptómicos más profundos en el mesencéfalo debido a una inhibición general de mTORC1. Sin embargo, ninguna de las dosis logró mejorar la bioenergética mitocondrial, las características histopatológicas, ni las manifestaciones fenotípicas de los ratones Coq9R239X, resultando en un fracaso de esta terapia para aumentar la supervivencia. De la misma manera, la administración de drogas que actúan sobre vías aguas abajo de mTORC1 como la trehalosa, un inductor de autofagia, o PF-4708671, un inhibidor de la síntesis de lípidos y proteínas, no tuvo efecto terapéutico. El fracaso de esta terapia en el modelo Coq9R239X podría deberse a una ausencia de neuroinflamación derivada de microgliosis, la incapacidad de inducir autofagia o reprimir la respuesta a estrés mitocondrial UPRmt o la necesidad de una función residual de la CoQ, a diferencia de lo que ocurre en los modelos de ratón Ndufs4-/-, Cox15sm/sm, Twnkdup o Tk2H126N, en los que la rapamicina sí ha tenido efecto terapéutico. Por tanto, la traslación clínica de la terapia con rapamicina para pacientes con enfermedades mitocondriales requiere, al menos, la consideración de las particularidades de cada enfermedad mitocondrial. Otra estrategia que ha cobrado gran fuerza en los últimos años para el tratamiento de diferentes enfermedades monogénicas es la terapia génica. Ensayos clínicos recientes han mostrado que las estrategias de terapia génica in vivo y ex vivo pueden ser una buena opción para el tratamiento de varias enfermedades neurológicas. Ambas estrategias requieren vectores eficientes y seguros, ya sea para proporcionar directamente el gen terapéutico en el SNC, o para modificar genéticamente células madre que puedan utilizarse como vehículos para proporcionar la proteína terapéutica de forma sistémica a otras células residentes en el tejido, produciéndose una corrección cruzada. Dentro de las enfermedades neurológicas, un grupo atractivo para el uso de estas estrategias son las encefalopatías mitocondriales causadas por mutaciones en genes del DNA nuclear. Nosotros hemos desarrollado un vector lentiviral (CCoq9WP) capaz de sobreexpresar el mRNA de Coq9 y la proteína COQ9 en fibroblastos embrionarios (MEFs) y células madre hematopoyéticas (mHSCs) de ratones Coq9R239X. La sobreexpresión ectópica de Coq9 en ambos tipos celulares restauró la ruta biosintética de CoQ y la función mitocondrial, mejorando la capacidad de crecimiento de las células transducidas. Estos resultados mostraron el potencial de los vectores lentivirales como herramienta para la terapia génica de las encefalopatías mitocondriales. Desafortunadamente, nuestro ensayo preliminar de terapia génica ex vivo usando vectores SCoq9WP para transducir mHSCs fracasó como terapia para los ratones Coq9R239X, lo cual podría deberse a la baja sobreexpresión conseguida en las células donantes tras la transducción en este ensayo, unos niveles de repoblación en el SNC insuficientes, la limitada ventana terapéutica en nuestro modelo de ratón, o la imposibilidad de transferir proteínas mitocondriales a otras células. Por tanto, futuros ensayos que utilicen esta estrategia deberán abordar cada uno de estos aspectos para determinar el potencial de la terapia génica ex vivo en el tratamiento de encefalopatías mitocondriales. Por útimo, en relación a las estrategias de terapia génica in vivo, muchos estudios preclínicos están apostando en los últimos años por el uso de vectores adenoasociados para tratar diferentes enfermedades mitocondriales gracias a su perfil de seguridad, su capacidad de mantener la expresión durante períodos de tiempo relativamente largos y la disponibilidad de serotipos con tropismos diferentes. Nosotros hemos utilizado el vector AAV9/Coq9 de amplio tropismo en un estudio piloto para corregir el déficit de CoQ en distintos tejidos en los ratones Coq9R239X. El vector AAV9/Coq9 fue capaz de corregir los niveles de CoQ y DMQ (el sustrato de la reacción donde está involucrada la proteína COQ9) en corazón, músculo esquelético y, en menor medida, hígado. Sin embargo, no tuvo efecto sobre los riñones ni el cerebro, y la supervivencia siguió el perfil de los ratones mutantes, indicando que estos tejidos podrían jugar un papel importante en la patofisiología de la encefalopatía mitocondrial asociada a la deficiencia en CoQ.