Deux études présentées lors de la réunion annuelle de l'AACR en 2019 ont démontré des résultats cliniques encourageants avec deux traitements à base de lymphocytes T avec récepteurs de l'antigène chimériques différents (CAR) chez les patients atteints de tumeurs solides avancées.

La thérapie CAR-T (ou T-CAR) est un type d’immunothérapie dans lequel les cellules T sont extraites du corps du patient et génétiquement modifiées afin qu’elles puissent reconnaître les cellules cancéreuses du patient. Les cellules T modifiées, lorsqu'elles sont réintroduites dans le corps du patient, se multiplient et attaquent les cellules cancéreuses.

Compte tenu du succès des thérapies CAR à base de lymphocytes T pour le traitement des cancers du sang, la prochaine étape la plus attendue sur le terrain est le développement de ce type d'immunothérapie pour les tumeurs solides. La mise au point de thérapies CAR à base de lymphocytes T pour les tumeurs solides a toutefois été difficile et les chercheurs sur le terrain ont échoué à plusieurs reprises. Les défis consistent notamment à trouver la bonne cible pour diriger les cellules T, la capacité à se développer dans un microenvironnement tumoral souvent immunosuppresseur, à générer une réponse antitumorale efficace et à éviter les effets secondaires indésirables.

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La Food and Drug Administration des États-Unis a jusqu'à présent approuvé deux thérapies par cellules T-CAR pour les cancers du sang: tisagenlecleucel (Kymriah) pour le traitement de certains patients atteints de leucémie lymphoblastique aiguë ou de lymphome non hodgkinien (LNH) et axicabtagene ciloleucel (Yescarta) pour le traitement de certains cancers. adultes atteints de LNH.

Thérapie CAR à base de lymphocytes T CAR ciblant la mésothéline pour les patients atteints de maladie pleurale maligne

Dans le cadre d'un essai clinique de phase I, une équipe de chercheurs du Memorial Sloan Kettering Cancer Center a vérifié si les cellules CAR-T qu'ils avaient développées seraient sûres et efficaces chez les patients atteints de maladie pleurale maligne liée à un mésothéliome ou à un cancer du poumon et du sein.

enter image description here Prasad S. Adusumilli, MD

Les cellules CAR-T développées par l'équipe, appelées IcasM28z, ciblent la protéine de surface cellulaire, la mésothéline, qui est exprimée sur la majorité des cellules cancéreuses. L’équipe a également travaillé pour délivrer les cellules CAR-T directement sur le site de la tumeur en utilisant des techniques d’administration régionales. «Si cette approche réussit, aux États-Unis, 2 millions de patients atteints de tumeurs solides exprimant de la mésothéline seront éligibles pour ce traitement», a déclaré Prasad S. Adusumilli, MD, qui a présenté l'étude.

Certaines cellules normales du corps exprimant de très faibles niveaux de mésothéline, il est possible que les cellules CAR-T ciblées par la mésothéline soient toxiques pour elles. Les chercheurs, ont donc intégré un commutateur de sécurité «suicide» Icaspase-9 (caspase-9 inductible) qui peut être activé dans le corps du patient en cas de toxicité inattendue, pour éliminer les cellules CAR-T . Cependant, les investigateurs n'ont pas observé de toxicité majeure avec les doses testées dans cet essai.

En utilisant une procédure de radiologie interventionnelle, les chercheurs ont injecté des cellules CAR T IcasM28z directement dans la cavité pleurale chez 21 patients atteints de maladie pleurale maligne (19 avec un mésothéliome pleural malin, un avec un cancer du poumon métastatique et un avec un cancer du sein métastatique).

Au cours de l'évaluation de 38 semaines, les cellules IcasM28z CAR T se sont révélées persistantes dans le sang périphérique de 13 patients, ce qui a été associé à une réduction de plus de 50% des taux de protéine sérique apparentée à la mésothéline et à une régression de la tumeur par imagerie. études. Un patient atteint de mésothéliome a subi une chirurgie à visée curative suivie d'une radiothérapie à la poitrine.

Dans des études précliniques, les chercheurs ont découvert que, dans les tumeurs de grande taille, les cellules CAR-T étaient épuisées fonctionnellement, même lorsqu'elles résidaient dans la tumeur. Un traitement avec des agents anti-PD-1 pourrait réactiver les cellules CAR T épuisées et éradiquer les tumeurs chez une proportion de souris. Sur la base de cette logique, 14 patients ont ensuite reçu des agents de blocage de points de contrôle anti-PD1. Après un maximum de 21 cycles de traitement avec un agent anti-PD1, deux patients présentaient une réponse métabolique complète à la TEP à 60 et 32 ​​semaines, respectivement, et ces réponses étaient en cours au moment de la notification; cinq patients ont eu une réponse partielle; et quatre avaient une maladie stable.

«La combinaison de stratégies rationnellement développées - telles que la radiologie interventionnelle, le génie génétique des lymphocytes T et de nouveaux agents d'immunothérapie - a donné des résultats encourageants et justifie la poursuite des recherches sur cette approche dans les cancers agressifs résistants au traitement, tels que le mésothéliome, pour lesquels les médicaments actuellement disponibles Les options de traitement ne sont pas optimales », a noté Adusumilli dans un communiqué de presse.

Les immunothérapeutiques qui ciblent les protéines PD-1 ou PD-L1 font partie d'une classe de traitements contre le cancer appelée inhibiteurs immunitaires des points de contrôle. PD-1 est une protéine du point de contrôle immunitaire qui freine la capacité naturelle des cellules immunitaires à combattre le cancer, appelées cellules T, lorsqu'elle est activée par PD-L1 ou PD-L2. En ciblant PD-1 ou PD-L1, ces immunothérapeutiques perturbent le système de freinage, permettant ainsi aux cellules T de remplir leur fonction naturelle et de détruire les cellules cancéreuses.

Il y a six inhibiteurs de points de contrôle immunitaires approuvés par la FDA qui ciblent la PD-1 ou la PD-L1, chacun appartenant à une société biopharmaceutique différente et beaucoup d'autres sont en cours de développement.

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Ces immunothérapies ont explosé dans le domaine du traitement du cancer au cours des cinq dernières années, car ils ont donné des réponses remarquables et durables pour les patients présentant un éventail de plus en plus diversifié de types de cancer.

Avons-nous un excès de médicaments similaires dans ce domaine?

Il pourrait être intéressant de se demander si tous ces inhibiteurs immunitaires des points de contrôle sont des médicaments différents? Bien qu'il existe des différences claires entre ces diférents médicaments, leur activité clinique a tendance à être relativement similaire. Il y a cependant une grande différence entre différentes classes de médicaments, les PD-1 et les PD-L1, il n'y a pas vraiment de différence majeure entre les bloqueurs de PD-1. Un essai clinique entre ces différentes immunothérapies serait le seul moyen de vraiment régler ce problème, même s'il est peu probable qu'un tel essai clinique ait jamais lieu.

Cependant sur le marché, il n'y a pas trop de thérapies ciblées par PD-1 / PD-L1. La concurrence a amélioré l'accès des patients à ce qui s'est révélé être un groupe révolutionnaire de nouveaux traitements du cancer.

Il existe des avantages à avoir plusieurs thérapies similaires, telles que le choix de traitements alternatifs dans le cas où une thérapeutique est en pénurie. Mais il y a des problèmes négatifs potentiels liés à la prise de plusieurs médicaments avec plusieurs études de confirmation. La FDA a été déçue par le manque de collaboration survenu dans le développement de thérapies ciblées PD-1 / PD-L1 en tant que traitement du carcinome à cellules rénales, de multiples essais étant réalisés sans aucune collaboration entre les entreprises.

Pouvons-nous avoir une approche plus harmonisée du développement d'autres biomarqueurs?

Des efforts de collaboration sont en cours pour harmoniser l'utilisation de la charge mutationnelle tumorale en tant que biomarqueur potentiel des thérapies ciblées par PD-1 / PD-L1. L'espace des biomarqueurs est un domaine dans lequel les entreprises pouvaient travailler ensemble, car les patients, les médecins et les entreprises auraient tous intérêt à disposer d'un test uniforme pour mesurer le biomarqueur.

Pour relever ce défi, il existe un désir de comprendre la comparabilité des tests et/ou de normaliser les caractéristiques de performances analytiques et cliniques supportant les revendications partagées entre les dispositifs de diagnostic associés.

Les pathologistes et les oncologues ont également besoin de clarté sur la façon d’interpréter les résultats des tests afin d’informer les patients sur les options de traitement en aval.

La proposition de plan directeur "Blueprint" élaborée en 2015 par quatre sociétés (Bristol-Myers Squibb, Merck, AstraZeneca et Genentech.) et par deux sociétés de diagnostic (Agilent Technologies Inc./Dako Corp. et Roche / Ventana Medical Systems Inc.). L'objectif de la proposition était de caractériser la performance des différents tests de diagnostic compagnon PD-1 / PD-L1 pour le cancer du poumon non à petites cellules.

Environ 80% des cancers du poumon sont des cancers du poumon non à petites cellules (CPNPC/NSCLC) et environ 15 à 20% de ces cellules sont porteuses de mutations activant le récepteur du facteur de croissance épidermique (EGFR).

Le traitement du CPNPC mutant EGFR s'est considérablement amélioré avec l'introduction d'inhibiteurs de la tyrosine kinase (ITK) de l'EGFR. Plusieurs ITK ciblant ce récepteur ont été développés, y compris les ITK EGFR de première génération, gefitinib (Iressa) et erlotinib (Tarceva).

Bien que les patients atteints de CPNPC mutés par l'EGFR tirent des avantages substantiels des ITK de l'EGFR, leur maladie a tendance à évoluer en l'espace d'un an parce que les tumeurs développent finalement une résistance aux traitements.

Les TKI EGFR de deuxième génération comprennent l'afatinib (Gilotrif) et le dacomitinib (Vizimpro), ainsi que le nératinib et les TKI EGFR de troisième génération, y compris l'osimertinib (Tagrisso), et les traitements thérapeutiques expérimentaux comme l'olmutinib et le nazartinib.

Les mutations d'EGFR activant les plus fréquentes dans le CPNPC incluent la délétion de l'exon 19 et L858R. Les patients dont les tumeurs hébergent ces mutations activant l'EGFR sont traités avec des ITK de l'EGFR de première génération. Bien que la plupart des patients aient initialement réagi à ces traitements, plus de 60% d’entre eux développent une résistance en acquérant la mutation ponctuelle «gatekeeper», T790M.

Des inhibiteurs de troisième génération, tels que l'osimertinib, ont été développés pour cibler les mutations de type T790M et pour être actifs contre la suppression de l'exon 19 d'origine et le L858R. Cependant, les patients développent également une résistance à ce traitement, par le biais de mécanismes de pontage alternatifs, comme décrit dans le tableau ci-dessous.

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Le traitement ciblé des patients atteints de cancer du poumon porteurs de mutations de l'EGFR consistait uniquement en monothérapie avec divers inhibiteurs de la tyrosine kinase de l'EGFR, même si nous savons depuis plus de 10 ans qu'une partie des cancers résistant aux ITK de l'EGFR résultent de l'activation de la voie de dérivation MET.

Une résistance acquise par amplification du MET en tant que voie de dérivation est observée chez environ 5 à 10% des patients dont la maladie progresse après un traitement par des ITK de EGFR de première ou de deuxième génération et chez environ 25% de ceux dont la maladie progresse après un traitement par TKI de l'EGFR de troisième génération. La résistance induite par le MET confère un comportement plus agressif aux cancers avec EGFR mutants.

Combinaison d'osimertinib et de savolitinib

Une association d'osimertinib et du savolitinib, inhibiteur de MET étudié, a été testée chez sur une première cohorte de patients atteints d'un cancer du poumon mutant avec EGFR présentant une résistance acquise induite par une amplification de MET après un traitement par une ITK de EGFR de première ou de deuxième génération. Les tumeurs des patients étaient également négatives pour la mutation T790M.

Dans la deuxième cohorte, la même association a été testée chez des patients atteints d'un cancer du poumon mutant avec EGFR et présentant une résistance acquise induite par une amplification du métabolisme MET après un traitement par osimertinib ou un autre TKI expérimental de troisième génération de l'EGFR.

Le but cherché à travers l’étude des patients ayant reçu des ITK EGFR de première et deuxième génération antérieurs et de ceux ayant déjà reçu des ITK EGFR de troisième génération antérieurs dans deux cohortes distinctes était de fournir des évaluations plus précises de l’activité du traitement combiné dans ces deux groupes distincts de patients.

Pour la cohorte de patients ayant déjà reçu une ITK d'EGFR de première ou de deuxième génération, le traitement par l'association osimertinib-savolitinib couvre à la fois la mutation de résistance dominante actuelle (basé sur l'amplification MET) et une mutation de résistance future vraisemblable (basé sur T790m). "Dans cette branche, nous avons émis l'hypothèse que le taux de réponse serait élevé", a déclaré Sequist lors d'une interview.

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Par contre, dans la cohorte de patients ayant déjà reçu des ITK EGFR de troisième génération (osimertinib ou l’un des autres ITK expérimentaux EGFR de 3ème génération), leur cancer a probablement acquis une résistance via T790M après un traitement par génération EGFR TKI, et à la suite du traitement avec une TFR EGFR de troisième génération couvrant le T790M, une deuxième mutation entraînée par une amplification du MET est apparue, ce qui a permis de distinguer leur maladie de celle de la première cohorte.

Dans la cohorte de 46 patients ayant déjà reçu une ITK d'EGFR de première ou de deuxième génération, le traitement à l'osimertinib associé au savolitinib a donné un taux de réponse objective (RRO) de 52%, avec 24 réponses partielles (PR). La durée médiane de réponse (DOR) était de 7,1 mois.

Dans la cohorte de 48 patients ayant déjà reçu une ITK d'EGFR de troisième génération, le traitement à l'osimertinib associé au savolitinib a donné un RRO de 28%, avec 12 PR. Le DOR médian était de 9,7 mois.

"Cette découverte illustre l'intérêt d'une sélection minutieuse des patients dans les études de thérapies ciblées", a déclaré Sequist, ajoutant: "Ces réponses cliniquement significatives démontrent également que, à mesure que différentes mutations de résistance hétérogènes apparaissent, elles peuvent à leur tour être contrôlées. en adaptant la thérapie. "

Des médecins envisagent de tester une thérapie génique qui pourrait prévenir la maladie d’Alzheimer

Personne ne sait avec certitude quel est ce qui cause la maladie d’Alzheimer. Mais un élément fait consensus: Le risque de maladie d’Alzheimer peut être jusqu'à deux fois moins élevé pour certains allèles du gène appelé APOE, mais 12 fois plus élevé pour d'autres allèles.

APOE qui est parfois appelé «le gène de l’oubli», se décline en trois versions courantes, appelées 2, 3 et 4. Le type 2 diminue le risque d’une personne, le type 3 correspond à un risque moyen et le type 4 augmente considérablement les chances de devenir une victime de la maladie d’Alzheimer. Le risque est si grand que les médecins évitent de tester APOE sur les patients, car un mauvais résultat peut être bouleversant et qu’il n’y a rien à faire: Il n’y a pas de remède.

A partir du mois de mai, des médecins commenceront à tester une nouvelle thérapie génique dans laquelle les personnes possédant les gènes les plus redoutables de l’APOE recevront une énorme dose de l'allèle à faible risque, dans leur cerveau.

S'il est démontré que cela ralentit la progression de la maladie chez les personnes déjà atteintes, cela pourrait éventuellement déboucher sur un moyen de la prévenir. L'essai clinique, dirigé par Ronald Crystal chez Weill Cornell Medicine à Manhattan, utilise une nouvelle tactique contre la démence, et ainsi marque un tournant dans la thérapie génique.

La plupart des efforts de remplacement de gènes, qui reposent sur des virus pour transmettre des instructions d’ADN dans les cellules d’une personne, visent à réparer des maladies rares telles que l’hémophilie en remplaçant un seul gène défaillant.

Mais les maladies courantes n’ont pas de causes uniques, aussi la thérapie génique n’a-t-elle jamais semblé aussi prometteuse. L’Alliance for Regenerative Medicine, un groupe rassemblant les industries du secteur, déclare ne connaître aucune thérapie génique actuellement à l’essai chez les patients atteints de la maladie d’Alzheimer.

"Cela semble être une façon compliquée pour effectuer des essais cliniques sur l'homme, mais il existe un besoin urgent de traitement," déclare Kiran Musunuru, professeur à la faculté de médecine de l'Université de Pennsylvanie. Musunuru, qui étudie les traitements génétiques des maladies cardiaques, affirme que l’expérience prévue à New York représente une nouvelle catégorie de thérapie génique dans laquelle l’objectif n’est pas de guérir, mais de «réduire le risque de maladie future chez des personnes en bonne santé».

Crystal dit que son plan évite également le débat sur la véritable cause de la maladie d’Alzheimer, qui est devenue une roue de roulette de plusieurs milliards de dollars dans laquelle les sociétés pharmaceutiques et les patients continuent de perdre. En janvier, Roche a annulé deux grandes études portant sur un anticorps destiné à éliminer les plaques caractéristiques d’une protéine appelée bêta-amyloïde, le dernier coup porté à la théorie selon laquelle ces plaques autour des neurones sont la cause fondamentale de la maladie d’Alzheimer.

«Certains spécialistes sur le terrain croient fermement que l’amyloïde est responsable de la malade», dit Crystal, alors que d’autres pensent que c’est une autre protéine appelée tau, dont les enchevêtrements se trouvent dans les neurones en fin de vie. "La réponse est probablement que c'est très complexe", dit-il. "L'approche que nous avons adoptée consiste à ignorer tout cela et à y penser d'un point de vue génétique."

Pour ce faire, l’équipe de Crystal s’appuie sur une découverte vieille de 25 ans. Dans les années 1990, des chercheurs de l’Université de Duke ont commencé à recenser toutes les protéines qu’ils trouvaient attachées aux plaques d’amyloïde. Ils ont ainsi identifié l'apolipoprotéine-e, la protéine codée par le gène APOE. En séquençant le gène chez 121 patients, ils ont déterminé qu'un allèle, APOE4, était inexplicablement commun chez ceux souffrant de la maladie.

La fonction du gène n’a pas encore été complètement comprise (il joue un rôle dans le transport du cholestérol et des graisses), mais son statut en tant que facteur de risque reste redoutable. Selon l’Alzheimer’s Association, environ 65% des personnes atteintes d’Alzheimer possèdent au moins un exemplaire de l'allèle à risque. Pour les personnes nées avec deux copies à haut risque, une de chaque parent, la démence devient proche de la certitude si elles vivent suffisamment longtemps.

Cependant, certaines personnes héritent des allèles 1 et 2, la version du gène présentant le plus faible risque. Ces individus ont un risque plus proche du risque moyen, ce qui suggère que la version protectrice du gène compense le risque.

C'est l'effet que les médecins de Weill Cornell essaieront de copier. Le centre recherche maintenant des personnes possédant deux copies du gène à haut risque qui ont déjà une perte de mémoire, voire un diagnostic de maladie d’Alzheimer. Selon Crystal, les premiers volontaires recevront, dans environ un mois, une infusion de milliards de virus porteurs de l'allèle 2 du gène, dans la moelle épinière.

Crystal s’attend à ce que les virus transmettent le gène chanceux aux cellules à travers le cerveau des patients. Les souris traitées de la même manière, selon son centre, accumulent moins d'amyloïde dans leur cerveau.

Selon Crystal, la stratégie ne dépend pas de tout savoir sur ce qui cause réellement la maladie. "Ce qui nous attire dans la maladie d'Alzheimer, c'est que l'épidémiologie génétique est si évidente", dit-il. «La stratégie est donc la suivante: pouvons-nous imprégner le cerveau avec l'allèle 2? Nous avons l'infrastructure pour le faire, alors nous avons pensé, pourquoi pas? Cela contourne le problème du mécanisme de la maladie. "

«Le concept est rationnel», ajoute Crystal. "Qu'il fonctionne chez un humain est cependant incertain à ce stade."

L'étude de New York est préliminaire. Crystal dit que son équipe doit déterminer si l'allèle du gène ajouté fonctionnera à un niveau détectable. Les médecins vont prélever du liquide céphalorachidien chez les patients et voir s’il contient le mélange de protéines attendu: le type attendu 4, mais avec une quantité égale ou supérieure de type 2 mélangée.

Au moment où les gens commencent à oublier les noms et où sont les clés de la voiture, c’est le résultat de changements cérébraux qui ont commencé 10 ans plus tôt. Cela signifie que les patients qui rejoignent l’essai ne peuvent pas espérer grand chose. C’est probablement trop tard pour eux.

Néanmoins, la Fondation Alzheimer’s Drug Discovery donne 3 millions de dollars à Crystal pour financer l’étude, c'est sa plus importante subvention à ce jour. "Nous ne savons pas encore ce qui va arriver", déclare Nick McKeehan, directeur adjoint à la fondation. «Mais c’est un tremplin. Peut-être aurons-nous besoin de traiter les gens plus tôt. C’est la finalité logique pour ce type de thérapie. "

À terme, on espère que les personnes d'âge moyen ayant des gènes à risque pourraient subir une mise au point génétique ponctuelle. Même une petite réduction du rythme auquel les changements cérébraux se produisent pourrait faire la différence avec le temps.

«La maladie d’Alzheimer est la maladie la plus redoutée au monde, car perdre la tête est horrible. Les gens préfèrent avoir un cancer ou une crise cardiaque », déclare Susan Hahn, une conseillère en génétique qui pense que les gens ne devraient pas faire tester leur gène APOE s'ils n'ont pas de bonnes raisons. «Vous devez être préparé à ce que vous allez entendre, car c’est permanent. Vous ne pouvez pas changer vos gènes - même si peut-être avec cette étude, cela va évoluer. "

L'importance de l'ingénierie des protéines pour diverses applications, des ingrédients alimentaires aux soins de santé, n'est pas un secret. En utilisant des outils de biologie synthétique, nous pouvons créer des enzymes de plus en plus précises et élégantes optimisées pour d'innombrables fonctions nouvelles et utiles. La technologie des anticorps est l’une des technologies les plus critiques et les plus prometteuses des dernières années. Elle pourrait potentiellement changer la vie de millions de personnes souffrant de diabète, de cancer et d’autres affections débilitantes.

Pourtant, les approches actuelles de conception de bibliothèques d'anticorps artificiels - les variantes - visant à identifier celles qui conviennent parfaitement à la maladie cible souffrent d'un manque de contrôle, et d'un manque de précision, en plus de consommer beaucoup de temps.

Ainsi parfois près avoir passé des mois à créer et à tester des variantes, les chercheurs risquent d'être bloqués dans leur quête, car ils n’ont pas pu produire la variante essentielle dont ils avaient besoin.

Il existe une meilleure approche - une approche encore confidentielle. Mais cela va probablement changer bientôt.

Le couvercle est sur le point de se lever sur le secret le mieux gardé du processus de découverte de médicaments.

Aaron Sato, est le CSO de Twist Biopharma et est vice-président de l'ingénierie des protéines chez Twist Bioscience. Son groupe d'ingénierie des protéines s'est développé rapidement et forme une équipe soudée de douze personnes qui ont prouvé leur savoir-faire.

Une grande partie de ce succès est due aux nombreuses ressources misent à disposition de son équipe, non disponibles dans les entreprises de biotechnologie traditionnelles de la taille de Twist.

Leur technologie de bibliothèque de variants d’anticorps est unique en ce qu’elle est précise, couvre de manière impartiale et complète les variants d’anticorps, n’introduit pas de passif de codons d'arrêt / de séquences et, comme tous les produits Twist, utilise NGS pour confirmer et garantir les séquences d'anticorps.

L'une des études de validation de concept de bibliothèque de Twist Bioscience, dirigée par David Ӧling et ses collègues de l'unité des médicaments innovants et du développement précoce de la biotechnologie d'AstraZeneca (et avec des collaborateurs de l'Imperial College London) a démontré que la technologie de la bibliothèque de Twist produisait 99,9% du nombre maximal prévu de variantes d’acides aminés, alors que la PCR numérique, n'en fournit que 35%. Plusieurs de celles-ci qui ont été identifiés par la bibliothèque Twist - mais pas la bibliothèque produite par ePCR - se sont révélés être critiques en tant que candidats au développement potentiel de médicaments.

«Je pense que nous sommes à la pointe du progrès en matière d'ingénierie des protéines», déclare Sato.

Pour le moment, de nombreuses études de validation de principe sont réalisées en collaboration avec des groupes universitaires, tels que le centre médical de l'université Vanderbilt, et des entreprises plus petites. Selon Sato, les petites entreprises sont les partenaires idéaux, car elles sont prêtes à prendre un risque pour essayer une nouvelle technologie révolutionnaire telle que la technologie de bibliothèque de variantes de protéines de Twist. Ils considèrent Twist comme un partenaire avec lequel ils peuvent travailler pour trouver une solution à un problème qu’ils ne savent pas résoudre, qu’il s’agisse d’une cible spécifique ou d’une thérapie cellulaire spécifique, qui rend ces partenariats extrêmement fructueux.

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Renforcer les thérapies qui changent la vie

Cependant, ce n’est qu’une question de temps avant que les grandes sociétés pharmaceutiques commencent à reconnaître la puissance de cette technologie, dit Sato. Dans un proche avenir, Twist Bioscience disposera de bibliothèques de synthèse supplémentaires pour d'autres classes cibles.

Ce n'est que le début d'une nouvelle ère dans le domaine de la médecine, et Twist envisage de montrer la voie. Par exemple, Twist est particulièrement bien placé pour aider les entreprises du secteur des thérapies CAR-T, car l’approche dépend du fonctionnement des anticorps. Ces sociétés peuvent utiliser les bibliothèques d’anticorps synthétiques de Twist pour découvrir rapidement des molécules de ciblage qu’elles peuvent simplement intégrer à leur plateforme CAR T.

«Bientôt, annonce Emily Leproust, PDG de Twist, les gens se rendront compte de la puissance de cette technologie, qui, nous en sommes persuadés, changera la façon dont la découverte de médicaments est réalisée et peut changer pour le mieux la vie de nombreuses personnes.»

A plea for a gene therapy for ALS

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Introduction

This draft document is an open call to the pharmaceutical industry to create a drug targeting TDP-43 proteinopathies such as Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS).

It describes how such a drug could be realistically produced with common laboratories technologies like antibodies or transfection. The recently approved AVXS-101 for Spinal muscular atrophy (SMA) probably shows the pathway for designing this new drug.

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How this TDP-43 drug would work?

  • One or several therapeutics goals and molecular targets are defined in order to alter the production of mutated TPD-43.
  • Epitopes are defined for those targets.
  • Antibodies are designed from those epitopes.
  • Plasmids are then produced, that encode all different combinations of heavy and light chains purified from the selected hybridoma cell.
  • These plasmids are inserted in AAV viral vectors.
  • Once inserted behind the BBB, those viral vectors infect cells that were producing mutated TPD-43.

Now the infected cell produces TDP-43 which is modified according to the therapeutic goal defined in the first step.

What is the state of art in genetic therapy for TDP-43?

This proposal is motivated by several successes in mice models of ALS that were published in the last five years 1 and [9-11]. Similar reports have been made in a drosophila model of ALS 2. Related works have been done for SOD1 mice models [6][7][10] [12, 13] and even macaques [3]. In total, some 100 articles have been published since 2007 on these topics.

What next steps are recommended?

The next step should be human trials of ALS gene therapies, or at least experimentations in pigs model of ALS. While there are currently no clinical ALS gene therapies, nusinersen, was recently approved for SMA. AVXS-101 another gene therapy, demonstrated a dramatic increase in survival and even improvements in SMA. SMA and ALS share a number of pathological, cellular, and genetic features suggesting that clinical insights into one disorder may have value for the other [14]. Hopefully this essay could provide some impetus for experimentations to reduce levels of mutated TDP-43 in pigs model of ALS and point to a pathway toward human trials.

About ALS

Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease characterized by the selective degeneration of both upper and lower motor neurons. Midlife patients present to the clinician with a muscle-related symptomatology. Disease then progresses to muscle atrophy, followed by complete paralysis, and death generally occurs by respiratory failure after 3 to 5 years from symptoms onset. Ninety percent of cases have sporadic origin (sALS) whereas 10 % have familial inherited mutations (fALS).

Single chain antibodies and ALS

Single-chain variable fragment (scFv), have been introduced two decades ago, through the generation of a variety of recombinant antibodies binding to various epitopes of pathological proteins implicated in the field of neurodegenerative diseases. The clinical demonstration of their efficacy in ameliorating pathological symptoms is well established.

Some single chain antibodies are have been studied for ALS [9-11] but only the scFv targeting misfolded SOD1 proved to be effective in vivo in ameliorating pathological changes and slowing down disease progression in a mouse model with ALS-linked SOD1 mutation [10, 12, 13].

The generation of a scFv antibody against TDP-43, and its therapeutic effect when delivered in ALS/FTD patients with TDP-43 pathology was reported recently [ 1] .

About TDP-43

TAR DNA-binding protein 43 (TDP-43) is a DNA/RNA binding protein, highly and ubiquitously expressed, with main localization in the nucleus of cells. TDP-43 consists of an N-terminal domain (NTD) and two tandem RNA recognition motifs, RRM1 and RRM2, followed by a C-terminal glycine-rich region (G). Thanks to its two RNA-recognition domains (RRM1 and RRM2) the protein is a multifunctional factor involved in different aspects of RNA metabolism such as transcription, splicing, stabilization and transport.

TDP-43 and ALS

Although mutations in TDP-43 are very rare, occurring in 3% of fALS and 1.5% of sALS, more than 90% of ALS cases (fALS and sALS) show a pathological behavior of this protein called TDP-43 proteinopathy. This event was first described in 2006 as a consistent mislocalization and aggregation of the protein in the cytoplasm where TDP-43 can form hyperphosphorylated, fragmented and ubiquitinated inclusions that impair the physiological function of the protein.

TDP-43 and other pathologies

TDP-43 proteinopathy is not exclusive to ALS. It is indeed present in 50% of frontotemporal lobar dementia (FTLD) patients. FTLD or FTD (frontotemporal dementia) is a midlife onset disease, clinically heterogeneous, characterized by changes in behavior, personality and/or language.

Because of TDP-43 proteinopathy, ALS and FTD are now considered as a disease continuum with 50% of ALS patients presenting cognitive impairment and 15% of FTD patients having motor impairments. Interestingly, TDP-43 proteinopathy has also been observed in other neurodegenerative disorders.

TDP-43 domains and proteinopathies.

Different studies have highlighted the sensitivity of the RRM1, RRM2 or C terminal domain in inducing TDP-43 proteinopathy. Oxidation or misfolding of this domain results in cytosolic mislocalization with irreversible protein aggregation. Apart from the RNA metabolism, the RRM1 domain is also responsible for the interaction with the p65 subunit of NF-κB, so targeting RRM1 would also diminish inflammation. SMA studies highlighted the importance of simultaneously treating multiple disease pathways. Like in SMA, it is thus clear that prognosis can be improved in ALS models by attempting a multifaceted gene therapy approach [4].

For example the genetic suppression of the NF-κB pathway in microglia and shRNA-mediated knockdown of SOD1 via systemic AAV9 administration resulted in an additive amelioration in all assessed phenotypes. The median mutant mouse lifespan was expanded from 137 to 188 days with a maximum survival of 204 days, which is one of the best extensions reported to date [4].

NF-κB (nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells) is a protein complex that controls transcription of DNA, cytokine production and cell survival. NF-κB is found in almost all animal cell types and is involved in cellular responses to stress. Both TDP-43 and NF-κB proteins are over-expressed in sporadic ALS patients and down-regulating TDP-43 can reduce NF-κB activation.

Single chain (scFv) antibodies to inhibit TDP-43

Scientists have described the generation of single chain (scFv) antibodies specifically against the RRM1 domain of TDP-43 with a dual aim:

  • (i) to block TDP-43/p65 interaction reducing NF-κB activation
  • (ii) to interfere with protein aggregation.

The same method could be used against the RRM2 domain or the C-terminal glycine-rich region where ALS-causing mutations are located.

A single-chain variable fragment (scFv) is not actually a fragment of an antibody, but instead is a fusion protein of the variable regions of the heavy (VH) and light chains (VL) of immunoglobulins, connected with a short linker peptide of ten to about 25 amino acids.

ScFvs have many uses, e.g., flow cytometry, immunohistochemistry, and as antigen-binding domains of artificial T cell receptors. Unlike monoclonal antibodies, which are often produced in mammalian cell cultures, scFvs are more often produced in bacteria cell cultures such as E. coli.

Due to their small size, good tissue penetration and low immunogenicity, scFv antibodies have been produced for different neurodegenerative disorders [9-11].

What specific design problems do we have to solve?

In addition of generic problems that are encountered while designing gene therapies, we have to solve some specific problems:

  • There are several isoforms of TDP-43
  • We need to design antibodies that target epitopes belonging to several domains, separately or together.
  • We need to design antibodies for each mutation of TDP-43 that are relevant in ALS.
  • We may extend this work to other proteins that are implicated in ALS, such as FUS.
  • We may extend this approach to SOD1, where there is already a significant body of related work.
  • While our main target is ALS, there are many other proteinopathies which would require other antibodies.

The RMM1 RNA recognition motif starts at position 101 and ends at position 191. So from Uniprot isoform 1 (there is another isoform), this gives this sequence for the wild type:

QKTSDLIVLG LPWKTTEQDL KEYFSTFGEV LMVQVKKDLK TGHSKGFGFV
RFTEYETQVK VMSQRHMIDG RWCDCKLPNS K

About fifty missense mutations in TARDBP have been identified in familial and sporadic ALS, most of which are located in the C-terminal G-rich region with only two exceptions to-date, A90V in the NTD and D169G in the RRM1.

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There are several online predictor for B cells, like ABCpred Prediction Server, that can suggest linear epitopes. But as most interactions between antigens and antibodies rely on binding to conformational epitopes, it may be preferable to use a conformational epitope prediction server like the CEP server (http://bioinfo.ernet.in/cep.htm). From those epitopes it is possible to computationally deduce paratopes and antibodies.

ALS gene therapy and humans

Consideration for AAV gene therapy vector in ALS. AAV is safe Despite limited packaging capacity (≈4.5 kb for single-stranded and ≈2.4 kb for self-complementary AAV), AAV has become the most promising vector for gene delivery in neurological disease; it establishes stable nuclear episomes, thus reducing the risk of integrating into the host genome and causing insertional mutagenesis, it can transduce both dividing and non-mitotic cells, and it maintains exogenous gene expression for extended periods (Murlidharan et al., 2014).

AAV is successfully used in a close disease

A gene therapy for SMA, called AVXS-101, which delivers the SMN1 gene using scAAV9, has shown significant clinical potential. AVXS-101 is administered intravenously or intrathecally. Upon administration, the self-complimentary AAV9 viral vector delivers the SMN1 transgene to cell nuclei where the transgene begins to encode SMN protein, thus addressing the root cause of the disease.

With approximately twice the capacity of AAV, lentivirus has also been employed as a proof-of-concept vector in pre-clinical models of SMA (Azzouz et al., 2004a) and ALS, however, given that lentivirus can randomly insert into the host genome, there are major safety issues associated with its clinical application (Imbert et al., 2017). The advantages of AAV led to scAAV9 being chosen for SMN1 delivery in the AveXis gene therapy, AVXS-101.

Multiple AAV serotypes have been used in SMA mice (Foust et al., 2010; Passini et al., 2010; Tsai et al., 2012), but serotype 9 was selected for AVXS-101 because of its comparatively strong tropism toward LMNs throughout the spinal cord in a range of species (Foust et al., 2009; Bevan et al., 2011; Federici et al., 2012).

Timing, site and dosage of the treatment

The successful treatment of any disorder is more likely to occur when a therapy is administered during early pathogenesis rather than at later time points and, in particular, at disease end stage. Whilst intuitive, this highlights the importance of earlier diagnosis, especially for ALS where it is estimated that most ALS are already very advanced when diagnosed.

AAV9-based approaches for some neurodegenerative diseases such as ALS are less efficient at an older age, which is a challenge given that ALS typically occurs at a mild-age (Foust et al., 2010).

It has been considered safest to use vectors derived from viruses that normally infect humans, but that comes with the price that the immune system may recognize them as pathogens and try to eliminate them. These immune responses have the effect of removing transduced cells and limiting gene therapy efficacy. It is therefore critical when translating AAV9-mediated gene therapy for clinical applications, to first determine whether the patient has pre-existing immunity to AAV and to then mitigate the development of potentially damaging immune responses to therapy, particularly when the gene therapy is to be delivered intravenously.

Toxicities associated with AAV accumulation are likely to arise. The immune reaction may only starting late in the treatment, when the increase in viral load reaches a certain threshold.

AAV9 displays neuronal tropism and can mediate stable, long-term expression with a single administration, which is important given immunogenicity issues associated with viruses (Lorain et al., 2008). This contrasts with the multiple, invasive intrathecal injections of nusinersen, which can have adverse side effects (Haché et al., 2016).

Hence, there is a fine balance between administering sufficient gene therapy to ensure correct targeting in effective quantities without causing systemic toxic accumulation and adverse side effects. It is difficult to monitor benefit if the natural history of the disease is variable and the phenotypic traits are not quantitative and are protracted over time. There is a strong need for reliable ALS biomarkers to discern sufficient target engagement and correct dosing [6].

It should also be remembered that once an AAV has been delivered, relatively little can be done to regulate transgene expression

Conclusion

This draft document is a plea and an open proposal to the pharmaceutical industry to create a drug targeting TDP-43 in Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS). It describes how such a drug could be realistically produced now with common laboratories technologies like antibodies or transfection. Hopefully new experimentations to reduce levels of mutated TDP-43, with the technologies summarized in this paper, will be done soon on pigs model of ALS. Next steps could be: - design antibodies that target other domains in TDP-43. - design antibodies for each mutation of TDP-43 that are relevant in ALS. - extend this work to other proteins that are implicated in ALS, such as FUS. - extend this approach to SOD1, where there is already a significant body of related work.

Jean-Pierre Le Rouzic

retired engineer from FT R&D

jeanpierre.lerouzic at wanadoo.ch (replace the .ch with .fr)

https://padiracinnovation.org/

References

[ 1] Pozzi S, Thammisetty SS, Codron P, Rahimian R, Plourde KV, Soucy G, Bareil C, Phaneuf D, Kriz J, Gravel C, Julien JP. Viral-mediated delivery of antibody targeting TAR DNA-binding protein 43 mitigates associated neuropathology. J Clin Invest. 2019 Jan 22. pii: 123931. doi: 10.1172/JCI123931. [Epub ahead of print]

2 Gao, N., Huang, Y.-P., Chu, T.-T., Li, Q.-Q., Zhou, B., Chen, Y.-X., … Li, Y.-M. (2019). TDP-43 specific reduction induced by Di-hydrophobic tags conjugated peptides. Bioorganic Chemistry, 84, 254–259. doi:10.1016/j.bioorg.2018.11.042

[3] Kevin D Foust, Desirée L Salazar, Shibi Likhite, Laura Ferraiuolo, Dara Ditsworth, Hristelina Ilieva, Kathrin Meyer, Leah Schmelzer, Lyndsey Braun, Don W Cleveland, and Brian K Kaspar Therapeutic AAV9-mediated Suppression of Mutant SOD1 Slows Disease Progression and Extends Survival in Models of Inherited ALS Mol Ther. 2013 Dec; 21(12): 2148–2159. Published online 2013 Oct 15. Prepublished online 2013 Sep 6. doi: 10.1038/mt.2013.211

[4] Ashley E. Frakes, Lyndsey Braun, Laura Ferraiuolo, Denis C. Guttridge, and Brian K. Kaspar Additive amelioration of ALS by co‐targeting independent pathogenic mechanisms Ann Clin Transl Neurol. 2017 Feb; 4(2): 76–86. Published online 2017 Jan 11. doi: 10.1002/acn3.375

[5] Spencer B, Emadi S, Desplats P, Eleuteri S, Michael S, Kosberg K, et al. ESCRT-mediated uptake and degradation of brain-targeted alpha-synuclein single chain antibody attenuates neuronal degeneration in vivo. Mol Ther. 2014;22(10):1753-67.

[6] Tommaso Iannitti, Joseph M. Scarrott, Shibi Likhite, Ian R.P. Coldicott, Katherine E. Lewis, Paul R. Heath, Adrian Higginbottom, Monika A. Myszczynska, Marta Milo, Guillaume M. Hautbergue, Kathrin Meyer, Brian K. Kaspar, Laura Ferraiuolo, Pamela J. Shaw, and Mimoun Azzouz Translating SOD1 Gene Silencing toward the Clinic: A Highly Efficacious, Off-Target-free, and Biomarker-Supported Strategy for fALS Mol Ther Nucleic Acids. 2018 Sep 7; 12: 75–88. Published online 2018 May 3. doi: 10.1016/j.omtn.2018.04.015

[7] Maria Grazia Biferi, Mathilde Cohen-Tannoudji, Ambra Cappelletto, Benoit Giroux, Marianne Roda, Stéphanie Astord, Thibaut Marais, Corinne Bos, Thomas Voit, Arnaud Ferry, and Martine Barkats A New AAV10-U7-Mediated Gene Therapy Prolongs Survival and Restores Function in an ALS Mouse Model Mol Ther. 2017 Sep 6; 25(9): 2038–2052. Published online 2017 Jun 26. doi: 10.1016/j.ymthe.2017.05.017

[8] Butler DC, and Messer A. Bifunctional anti-huntingtin proteasome-directed intrabodies mediate efficient degradation of mutant huntingtin exon 1 protein fragments. PLoS One. 2011;6(12):e29199.

[9] Ghadge GD, Pavlovic JD, Koduvayur SP, Kay BK, and Roos RP. Single chain variable fragment antibodies block aggregation and toxicity induced by familial ALS-linked mutant forms of SOD1. Neurobiol Dis. 2013;56:74-8.

[10] Patel P, Kriz J, Gravel M, Soucy G, Bareil C, Gravel C, et al. Adeno-associated virus-mediated delivery of a recombinant single-chain antibody against misfolded superoxide dismutase for treatment of amyotrophic lateral sclerosis. Mol Ther. 2014;22(3):498-510.

[11] Tamaki Y, Shodai A, Morimura T, Hikiami R, Minamiyama S, Ayaki T, et al. Elimination of TDP-43 inclusions linked to amyotrophic lateral sclerosis by a misfolding-specific intrabody with dual proteolytic signals. Sci Rep. 2018;8(1):6030.

[12] Ghadge GD, Kay BK, Drigotas C, and Roos RP. Single chain variable fragment antibodies directed against SOD1 ameliorate disease in mutant SOD1 transgenic mice. Neurobiol Dis. 2018;121:131-7.

[13] Dong QX, Zhu J, Liu SY, Yu XL, and Liu RT. An oligomer-specific antibody improved motor function and attenuated neuropathology in the SOD1-G93A transgenic mouse model of ALS. Int Immunopharmacol. 2018;65:413-21.

[14] Andrew P. Tosolini and James N. Sleigh Motor Neuron Gene Therapy: Lessons from Spinal Muscular Atrophy for Amyotrophic Lateral Sclerosis Front Mol Neurosci. 2017; 10: 405. Published online 2017 Dec 7. doi: 10.3389/fnmol.2017.00405

[15] Chiang, Chien-Hao, Grauffel, Cédric, Wu, Lien-Szu, Kuo, Pan-Hsien, Doudeva, Lyudmila G., Lim, Carmay, Shen, Che-Kun James, Yuan, Hanna S. Structural analysis of disease-related TDP-43 D169G mutation: linking enhanced stability and caspase cleavage efficiency to protein accumulation Nature Scientific Reports https://doi.org/10.1038/srep21581