SVILUPPO DI UN APPROCCIO DI TERAPIA GENICA CON CELLULE STAMINALI EMATOPOIETICHE PER MALATTIE AUTOIMMUNI

Multiple sclerosis (MS) and Type 1 diabetes (T1D) are autoimmune diseases caused by an abnormal autoimmune response against human body antigens. Autologous transplantation of hematopoietic stem/progenitor cells (HSPCs) has been explored in the context of randomized clinical trials as a treatment option able to modulate autoimmunity, with still limited success mainly due to toxicity risk of the conditioning procedure. We designed an ex vivo gene therapy strategy aimed at enhancing the immune-regulatory properties of HSPCs by upregulating the expression of the immune-regulatory factor programmed death-ligand 1 (PD-L1), by lentiviral vector (LV) transduction, to eventually obtain the reprogramming an auto-aggressive immune system towards a de novo self-tolerant immune repertoire. To properly design such approach for clinical translation, we investigated the effects on disease phenotype of PD-L1 over-expressing HSPCs transplantation in the animal models of T1D and MS. Clinically applicable LVs were generated and tested to select the best construct for in vivo experiments. Experimental autoimmune encephalitis (EAE) was induced through MOG35-55 immunization in C57BL/6 mice, for modeling MS disease. We explored different routes of cell administration and the actual need of a pre-transplant conditioning. Interestingly, we showed that transplantation of LV-transduced, PD-L1 overexpressing HPSCs can significantly reduce the severity of EAE manifestations, decreasing the extent of neuroinflammation, particularly when cells were delivered directly in the central nervous system by intrathecal transplantation, and even in the absence of pre-transplant conditioning. Transplantation of PD-L1 overexpressing HSPCs in NOD/ShiltJ mice successfully reverted diabetes in 60% of newly hyper-glycemic animals and 20% of mice showed completely and persistent glycemia normalization. Moreover, a better glycemic control was observed in mice treated in the presence of mild and moderate hyperglycemia at diabetes onset, mirroring a residual functional β-cell mass. Our data indicate that an ex vivo gene therapy approach based on PD-L1 overexpression can significantly reduce autoimmune damage in experimental MS and T1D, thus proving promising for future development in clinical trials.

La sclerosi multipla (SM) e il diabete mellito di tipo 1 (DT1) sono malattie autoimmuni causate da un’anomala risposta del sistema immunitario diretta contro antigeni dell’organismo. Il trapianto autologo di cellule staminali ematopoietiche (CSE) è stato esplorato nel contesto di studi clinici randomizzati come opzione terapeutica in grado di modulare l'autoimmunità, tuttavia con un successo ancora limitato principalmente a causa del rischio di tossicità della procedura di condizionamento. Abbiamo progettato un approccio di terapia genica ex vivo mirata ad incrementare le proprietà immunoregolatorie delle CSE tramite induzione della sovra-espressione del ligando del fattore immunoregolatore 1 (PD-L1), mediante trasduzione con vettore lentivirale (VL), con l’obiettivo di riprogrammare il sistema immunitario rendendolo da auto-aggressivo ad auto-tollerante. Progettando il nostro approccio ai fini della traslazione clinica, abbiamo studiato gli effetti sul fenotipo di malattia del trapianto di CSE sovra-esprimenti PD-L1 nei modelli animali di DM1 e SM. Sono stati generati e testati VL clinicamente applicabili per selezionare il miglior costrutto per gli esperimenti in vivo. Per generare un modello di malattia per la SM, l'encefalite autoimmune sperimentale (EAE) è stata indotta in topi C57BL/6 attraverso l'immunizzazione con MOG35-55. Abbiamo testato diverse vie di somministrazione delle CSE geneticamente modificate e l'effettiva necessità di un condizionamento pre-trapianto. I nostri risultati dimostrano che il trapianto di CSE trasdotte con VL per sovra-esprimere PD-L1 riduce in modo significativo la gravità delle manifestazioni dell’EAE, diminuendo l'entità della neuroinfiammazione, in particolare quando le CSE vengono trapiantate direttamente nel sistema nervoso centrale mediante somministrazione intratecale, anche in assenza di condizionamento pre-trapianto. Nei topi NOD/ShiltJ abbiamo dimostrato che il trapianto di CSE sovra-esprimenti PD-L1 è in grado di revertire il diabete nel 60% degli animali; inoltre, nel 20% degli animali trattati si assiste a una normalizzazione completa e persistente della glicemia. Abbiamo osservato anche un migliore controllo glicemico nei topi trattati, particolarmente evidente in quelli che all'insorgenza del diabete presentavano iperglicemia lieve e moderata, riflesso della presenza residua di una certa massa beta-cellulare funzionale. I nostri dati indicano quindi che un approccio di terapia genica ex vivo basato sulla sovraespressione di PD-L1 è in grado di ridurre significativamente il danno autoimmune nei modelli sperimentali di SM e DT1, dimostrandosi promettente per il futuro sviluppo nel contesto di studi clinici.