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Hematopoietic Stem Cell Gene Therapy for treatment of Ataxia telangiectasia (A-T)

English title Hematopoietic Stem Cell Gene Therapy for treatment of Ataxia telangiectasia (A-T)
Applicant Reichenbach Janine
Number 188990
Funding scheme Project funding
Research institution Universitäts-Kinderspital Zürich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Immunology, Immunopathology
Start/End 01.05.2020 - 30.04.2023
Approved amount 215'463.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Immunology, Immunopathology
Pathophysiology

Keywords (4)

Ataxia Telangiectasia; Foamy viral vectors; gene therapy; gene editing

Lay Summary (German)

Lead
Entwicklung einer Gentherapie zur Behandlung des Ataxia teleangiectatica (A-T)
Lay summary

A-T ist eine schwere erbliche Erkrankung, die sich schon in früher Kindheit manifestiert mit u.a. Gang- und Standunsicherheit, Wachstumsverzögerungen, einen Immundefekt mit frühzeitiger Alterung von Immunzellen und entsprechender Infektanfälligkeit, sowie ein erhöhtes Krebsrisiko. Die meisten Patienten sind bereits als Jugendliche an einen Rollstuhl gebunden und haben eine deutlich reduzierte Lebenserwartung von im Mittel 20 Jahren.

Die Ursache von A-T liegt in einer von beiden Elternteilen vererbten Veränderung des ATM-Gens (Ataxia Telangiectasia Mutated). Das ATM-Gen codiert für ein Protein, welches bei der Reparatur von Schäden des genetischen Codes (DNS, Desoxyribo-Nuclein-Säure) beteiligt ist. Wenn diese Schäden, die z.B. im Rahmen von Bestrahlung wie bei Röntgen-Untersuchungen auftreten, nicht mehr repariert werden können, kommt es an vielen Organen, dem Blut und Immunsystem zu Störungen, die das breite Spektrum der Krankheitssymptome erklärt.

A-T ist eine seltene Krankheit. Etwa eines von 40.000 Neugeborenen erkrankt an A-T und es gibt zur Zeit keine wirksame Therapie.

Die Entwicklung einer Gentherapie ist ein vielversprechender neuer Ansatz zur Behandlung von A-T. Hierbei sollen Blutstammzellen dem Patienten entnommen und ausserhalb des Körpers der Gendefekt behandelt werden, um anschliessend die korrigierten Zellen dem Patienten wieder zuzuführen. Dieser Therapie-Ansatz wurde bereits erfolgreich für andere Krankheiten entwickelt.

Prinzipiell kann der Gendefekt auf zwei Weisen korrigiert worden, einmal indem man eine Kopie eines funktionstüchtigen ATM-Gens mittels eines künstlichen Virus (viraler Vektor) in die DNA der Blutstammzellen einbaut. In diesem Fall spricht man von einer «Genfähre» oder Genaddition. Eine neuere Methode soll das defekte ATM-Gen in den Blutstammzellen mittels einer «Genschere» wie CRISPR/Cas9 direkt am Krankheitsort korrigieren.

Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung und der Nachweis der Wirksamkeit («Proof of concept») einer Gentherapie zur Behandlung von A-T im Maus-Model und in menschlichen Blutstammzellen. Zwei Ansätze für die Gentherapie sollen entwickelt werden:

  1. Korrektur des Gendefekts durch Hinzufügen eines korrigierten ATM-Gens in die DNA mit Hilfe eines neuartigen viralen Vektors (Team Frankfurt)
  2. Korrektur des defekten Gens mittels CRISPR/Cas9 (Team Zürich)

Zu diesem Zweck soll ein spezifischer, geeigneter viraler Vektor bzw. CRISPR/Cas9-System entwickelt werden und in Kooperation an beiden Standorten die Wirksamkeit der Gentherapie im Tiermodell bzw. in humanen Blutstammzellen gezeigt werden.

Das langfristige Ziel ist, diese Gentherapie im Anschluss auf den menschlichen Patienten zu übertragen, um diesen schwerwiegenden Defekt des menschlichen Immunsystems zu korrigieren und so betroffenen Kindern zu helfen wiederkehrende Infektionen zu bekämpfen und wo möglich auch Folgeerkrankungen des Nervensystems besser handzuhaben.

Direct link to Lay Summary Last update: 17.02.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

Ataxia Telangiectasia (A-T) is a monogenetic, autosomal recessive DNA repair deficiency syndrome caused by inactivating mutations in the ataxia telangiectasia mutated (ATM) gene. Symptoms develop early in childhood and include cerebral ataxia, oculocutaneous telangiectasias, growth retardation, hematological deficiency and an increased risk to develop cancer. Most patients are wheelchair bound in their second decade of life with a median 20 years survival of 53.4%. The Atm-/- mouse resembles many of the symptoms of human A-T patients (Barlow et al., 1996). Importantly, in Atm-/- mice immune function could be restored by bone marrow transplantation from healthy wildtype donor mice (Bagley et al., 2004; Pietzner et al., 2013). At the Goethe University Hospital, Frankfurt/Main, Dept. for children and adolescents, the first pre-emptive hematopoietic stem cell (HSC) transplantation has been performed in a four year old boy with A-T following a reduced intensity conditioning regime (Bakhtiar et al., 2018). Hematopoietic stem cell-directed gene therapy offers a treatment option to correct the underlying defect of A-T and, when implemented pre-emptively, may prevent many of the symptoms in A-T, first of all, the immunodeficiency. For gene therapy in HSCs, retroviral vectors have been developed (Williams et al., 1984; Wang and Rivière, 2017) which showed their potential for the treatment of several hematopoietic disorders in the clinic, including primary immune deficiencies (Williams and Thrasher, 2014) and genome instability syndromes (Tolar et al., 2011). Furthermore, the development of ZFN, TALEN (Boch et al., 2009; Moscou and Bogdanove, 2009) and of CRISPR/Cas9 (Jinek et al., 2012) paved the way for sequence specific gene editing.In this project we aim to establish the proof-of-concept for hematopoietic stem cell-directed gene therapy for the treatment of A-T using the Atm-/- mouse model and human HSCs. This approach will correct the hematological deficiency (immunodeficiency) and with this, when translated into human patients, will help children to fight recurrent infections, grow up in more healthy conditions and have a better chance to handle subsequent neurological problems. One approach is based on gene addition to HSCs, by the use of Foamy viral (FV) vector encoding full length Atm cDNA. The FV vector will be generated and used for ex vivo gene therapy on murine ATM HSCs, which will be transplanted into ATM-/- mice. Furthermore transduction of human HSCs will be evaluated (Working package A). In parallel, we will follow a gene editing approach for sequence specific insertion of the ATM cDNA into the ATM locus utilizing CRISPR/Cas9 protein guide RNA ribonucleocomplexes targeting the human sequence in human CD34-positive cells (Working package B). By successful development of the gene editing strategy, side effects such as insertional mutagenesis, vector silencing or transgene toxicity can be avoided. The side-by-side comparison of correction efficiencies of gene addition vs gene editing will decide on further steps.
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