Différents vecteurs de la thérapie génique

L’acide nucléique doit franchir de nombreuses barrières biologiques (extracellulaires et intra- cellulaires) pour atteindre le noyau des cellules cibles. Brièvement, l’acide nucléique doit passer la peau, premie`re barrie`re biologique, puis e^tre ve´hicule´ jusqu’au tissu cible, éventuellement passer la barrie`re vasculaire et les tissus conjonctifs pour enfin arriver aux cellules cibles et la` passer la membrane plasmique de´limitant la cellule, traverser le cytosol (en e´vitant les nucle´ases) et enfin franchir l’enveloppe nucle´aire.

 

Afin d’apporter le matériel génétique au sein des cellules cibles des « vecteurs » doivent donc être utilisés, qu’ils soient non viraux (utilisant l’acide nucléique nu ou complexé) ou viraux recombinants (tableau). Ces derniers sont majoritairement utilisés dans les essais cliniques de thérapie génique à l’heure actuelle. En effet, les vecteurs viraux sont des outils efficaces pour le transfert de gènes dans les cellules de mammifères, utilisant les propriétés intrinsèques des virus pour infecter les cellules cibles. Les principaux vecteurs utilisés en thérapie génique sont les vecteurs adénoviraux, les vecteurs virus adéno-associés (AAV) ou les vecteurs lentiviraux.

Table 1 : Vecteurs de thérapie génique.

ADN: acide désoxyribonucléique, ARN: acide ribonucléique, RNP: ribonucléoproteine

 

Vecteurs viraux

Vecteurs AAV : Actuellement, les stratégies de thérapie génique « in vivo » de maladies génétiques reposent majoritairement sur l’utilisation de vecteurs virus adéno-associés (AAV). Les AAV font partie de la famille des Parvoviridae. Il s’agit de virus a` ADN simple brin non enveloppe´s. Ils sont forme´s d’une capside icosae´drique de 20 a` 25 nm de diame`tre. Les AAV (capacité d’insert ≤5kb) tirent leur nom du fait qu’ils ont besoin de l’aide d’un autre virus (adénovirus ou HSV) pour accomplir leur cycle complet de réplication. Les AAV sont des virus non inte´gratifs, c’est-a`-dire que le ge´nome viral ne s’inte`gre pas dans le ge´nome de l’hôte et reste sous forme d’e´pisome. Pour cette raison, les AAV sont principalement utilise´s dans le cas de transduction de cellules a` division lente ou sans division, telles que les fibres musculaires, les cardiomyocytes ou encore les neurones. Ils infectent l’Homme en restant inactifs dans le noyau de la cellule. 10 a` 90% des humains posse`dent des anticorps neutralisants dirige´s contre l’AAV (Halbert et al, 2006). Cette se´ropositivite´ en fonction des niveaux d’anticorps neutralisants n’exclut pas la possibilite´ d’une utilisation d’AAV pour une administration locale ou une administration syste´mique en association avec la prise d’immunosuppresseurs. Cependant, l’utilisation d’immunosuppresseurs comporte aussi des risques pour les patients, a` e´valuer lors de la mise en place d’un essai.

 

L’inconvénient majeur des vecteurs AAV à l’heure actuelle reste la difficulté de produire de tels vecteurs en lots cliniques et en grandes quantités. Dans ce contexte, des efforts pour améliorer la production (qualité des lots, titres viraux obtenus) sont en cours.

 

Vecteurs Gamma rétroviraux et lentiviraux : Dans le cadre des maladies génétiques, ce sont les vecteurs lentiviraux qui sont actuellement les plus utilisés pour la thérapie génique « ex vivo ». Ces vecteurs peuvent en effet intégrer leur matériel génétique dans le génome des cellules quiescentes, c’est-à-dire qui ne prolifèrent pas.

 

La transmission du matériel génétique par les cellules souches aux lignées dérivées après différenciation permettra la correction de l’ensemble des cellules sanguines ou immunitaires dérivées des cellules souches. De nombreux essais cliniques de thérapie génique pour des déficits immunitaires utilisent cette approche. Le premier essai a débuté en France en 1999: les chercheurs traitaient pour la première fois par thérapie génique des enfants  « bébés-bulles » atteints d’une maladie génétique rare appelée « déficit immunitaire sévère lié au chromosome X » les privant de défenses immunitaires (sans défense les malades étaient contraints de vivre confinés dès la naissance dans une bulle stérile afin d’éviter toute infection). C’est le cas également de la thérapie génique du syndrome de Wiskott-Aldrich (WAS) (Galy and Thrasher, 2011), de la granulomatose septique chronique liée à l’X (X-CGD) (Brendel et al., 2018) ou de l’anémie de Fanconi type A (Río et al., 2019). Les vecteurs lentiviraux peuvent également être utilisés « in vivo », dans le cas de stratégies de thérapie génique locale dans l’œil ou le cerveau (Bainbridge et al., 2001). Dans ces cas précis, les réponses immunes et risques de dissémination sont minimisés par l’environnement et par les faibles doses.  Les vecteurs lentiviraux ciblés et modifiés pour réduire l’immunogénicité sont en cours d’étude pour un ciblage hépatique « in vivo », notamment pour le traitement de l’hémophilie B (Milani et al., 2019). Malgré leurs limitations, la grande capacité d’encapsidation des vecteurs lentiviraux en fait des outils extrêmement intéressants, la taille du transgène à apporter aux cellules pour les corriger étant souvent supérieure aux 4000 bases auxquelles sont limités les rAAVs. De plus, en modifiant la glycoprotéine d’enveloppe à la surface du vecteur, il est possible de modifier son tropisme cellulaire et de diminuer l’immunogénicité du vecteur.

 

Vecteurs non viraux

Des vecteurs chimiques ont également été développés pour s’affranchir des limites de taille des gènes thérapeutiques et des problèmes de toxicité rencontrés avec les virus. L’ADN ou ARN d’intérêt est une macromolécule anionique et les membranes cellulaires sont globalement chargées négativement. Les répulsions électrostatiques limitent donc les contacts de l’acide nucléique avec les membranes plasmiques. Les vecteurs non viraux sont des molécules naturelles ou synthétiques, lipides cationiques ou polymères cationiques, formant avec l’ADN des particules appelées respectivement lipoplexes ou polyplexes. Ces complexes, chargés positivement, favorisent le transfert d’ADN à l’intérieur des cellules. Le mécanisme d’entrée des complexes dans les cellules n’est pas encore complètement élucidé. Le modèle le plus défendu est celui de la voie de l’endocytose. Le mécanisme d’entrée dans la cellule influe sur le relargage, le trafic intracellulaire et le temps de vie de l’ADN dans la cellule. L’endocytose est un procédé en plusieurs étapes comprenant une liaison avec la membrane cellulaire, une internalisation du complexe, la formation d’endosomes, la fusion avec les lysosomes et finalement la lyse. Le faible pH et la présence d’enzymes dans les endosomes et

Les lysosomes entraîne une dégradation de l’ADN encapsulé et les complexes associés. L’ADN qui a échappé à ces dégradations doit ensuite se dissocier des complexes avant ou après son entrée dans le noyau.

Les vecteurs non viraux sont plus faciles à produire que les vecteurs viraux. En revanche, l’obtention de complexes ADN/vecteur colloïdalement stables et dont les caractéristiques physico-chimiques sont constantes est difficile. Bien que légèrement immunogènes, la réponse immunitaire qu’ils déclenchent a pour conséquence de les éliminer mais n’est pas toxique pour l’organisme. L’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de vecteurs reste cependant que leur efficacité de transfert d’ADN est encore bien inférieure à celle des vecteurs viraux.

Technique

Principe

Mate´riel

Avantages

Inconve´nients

Microinjection

injection manuelle

micropipette, mi- cromanipulateur, microscope

tre`s efficace (ci- blage direct du noyau)

fastidieux ex vivo et pas d’applications in vivo

Canon a` ADN

bombardement de particules a` grande vitesse

«gene gun», parti- cules

immunisation ge´ne´- tique, faibles quan- tite´s d’ADN

faible pe´ne´tration dans les tissus profonds

Sonoporation

perme´abilisation de la membrane cellu- laire par des ultra- sons

sonde a` ultrasons, microbulles

nouvelles for- mulations de microbulles

toxicite´ mal e´tablie

Irradiation laser

perme´abilisation induite par un faisceau laser

source laser

efficace, haute pre´- cision du faisceau

cou^t e´leve´, toxicite´ potentielle

Injection hydro- dynamique

injection directe d’un grand volume de liquide

seringue, (cathe´- te`re)

ciblage efficace du foie

difficilement trans- fe´rable a` l’homme

Electrotransfert

champ e´lectrique induisant une per- me´abilisation de la membrane et une force e´lectrophore´- tique

e´lectrodes, ge´ne´ra- teur d’impulsions

tre`s efficace, fa- cile d’utilisation (surtout pour la peau, le muscle et la tumeur)

toxicite´ potentielle