Novel brain endothelial-targeted gene therapy vectors to treat neuroinflammatory disease

Inflammatory central nervous system (CNS) disease like multiple sclerosis (MS) is often incurable and treatment options are frequently unsatisfactory. Therapeutic gene transfer may be a novel strategy to meet this challenge. However, like in most other potential gene therapy applications, the lack of vectors efficiently and specifically transducing the tissue of interest is the main obstacle for this endeavor. The brain microvasculature takes center stage in the pathobiology of neuroinflammation. Thus it may be a highly relevant target for therapeutic intervention. Based on an innovative approach for the selection of targeted adeno-associated viral (AAV) vectors from peptide display libraries, we have developed a novel AAV vector that transduces brain microvasculature with unprecedented efficacy and specificity after systemic intravenous administration in vivo (BR1-AAV vector). In the project proposed here, we will characterize and further improve the targeted viral capsid of BR1-AAV by subjecting it to an optimizing secondary library selection procedure. Subsequently, we will use this brain endothelium-targeted vector to treat experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) as an experimental disease model of MS. Hallmarks of neuroinflammatory diseases are loss of blood brain barrier (BBB) tight junction (TJ) integrity, CNS infiltration by immune cells and development of perivascular lesions. To interrupt this, we will use BR1-AAV derivatives to 1.) confer brain vascular expression of CCL2 7ND, a dominant negative variant of the chemokine CCL2 that is considered to be crucial in neuroinflammation; 2.) to knock down the CCL2 receptor CCR2 on brain vascular endothelial cells to prevent BBB TJ disruption and inhibit CCL2 secretion into the blood; 3.) to stabilize BBB TJs by endothlial expression of the TJ protein claudin-1. This project may establish BR1-AAV-derived vectors as tools to study and treat a wide variety of neuroinflammatory and potentially other CNS diseases.

Eine Gentherapie von Erkrankungen des zentralen Nervensystems (ZNS) wird dadurch erschwert, dass systemisch verabreichte Genvektoren meist nicht durch die Bluthirnschranke dringen. Alternativ könnten Vektoren direkt in das ZNS injiziert werden, wodurch allerdings Komplikationen, wie intrazerebrale Blutungen, entstehen könnten. Ein neuartiger nicht-invasiver Ansatz könnte darin bestehen, die Bluthirnschranke als eigentliches Ziel der Gentherapie zu nutzen. Eine solche gentherapeutische Strategie wurde realisierbar, nachdem in Vorarbeiten ein mutiertes Kapsid des adeno-assoziierten Virus (AAV) gefunden worden war, das AAV-Vektoren nach intravenöser Injektion in Gehirnendothelzellen dirigiert. Wir wollten in diesem Projekt den Nutzen des neuen gehirnendothel-selektiven Vektors AAV-BR1 testen. Erste Versuche, eine inflammatorische Reaktion im ZNS von Mäusen mit AAV-BR1-basierten Vektoren zu mindern oder die Bluthirnschranke abzudichten, misslangen, möglicherweise weil die komplexe Pathophysiologie bei neuro-inflammatorischen Erkrankungen nicht ohne weiteres auf ein einzelnes Gen zu reduzieren ist. Wir wandten uns deshalb einer monogenetischen Erkrankung der Bluthirnschranke zu, der Incontinentia pigmenti. Durch inaktivierende Mutationen des Nemo-Gens kommt es bei Incontinentia pigmenti zu einem Untergang von Gehirnendothelzellen und zu einer Störung der Bluthirnschranke. Wenn wir das fehlende Gen durch einen AAV-BR1-Vektor ersetzten, konnten wir den Gefäßuntergang verhindern. Auf diese Weise wurde auch eine Störung der Bluthirnschranke vermieden. Interessanterweise führte die Therapie zu einer deutlichen Reduktion der epileptischen Anfälle. Zusammenfassend gelang in der Studie der Nachweis, dass eine gezielte Transduktion von Gehirnendothelzellen ein möglicher Therapieansatz für neurologische Erkrankungen sein kann, zumindest dann, wenn die Pathologie vorwiegend die Gefäße betrifft.