Sviluppo preclinico di terapia genica basato sull'espressione di IL-1RA per il trattamento di malattia autoinfiammatorie

Systemic autoinflammatory diseases (SAIDs) delineate a group of diseases that manifest when the immune system is activated uncontrollably. One cardinal subgroup of SAIDs includes rare periodic fevers characterized by the dysregulated production of the proinflammatory cytokine interleukin-1 (IL-1). There is no cure for these conditions. Anakinra, the recombinant form of IL-1 receptor antagonist (IL-1RA), is the mainstay therapy for these patients. However, anakinra has a short half-life and poor tissue distribution. Severe patients respond inadequately and do not experience improvement in symptoms. Therefore, there is a need for a durable therapy that bypasses continuous drug administration and ensures a satisfactory resolution of tissue inflammation. In this PhD project, we addressed the urgency to develop an effective treatment for IL-1 induced SAIDs based on haematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) producing constitutively human IL-1RA using a lentiviral vector (LV)-mediated gene transfer approach. Human and mouse HSPCs transduced with an LV encoding human IL-1RA efficiently released this cytokine. Transduction procedure and IL-1RA over-expression did not alter HSPCs viability, clonogenic and differentiation potential in vivo. Next, we investigated whether, once transplanted in mice, IL-1RA-expressing HSPCs could ameliorate acute and chronic inflammation. Three mouse models were employed. The ectopic expression of IL-1RA by HSPC-derived immune cells suppressed neutrophil recruitment to the site of inflammation in mice with peritonitis induced by monosodium-urate crystals (MSU), well-known activators of the NLRP3-IL-1 axis. This protective effect was comparable to that obtained by anakinra. Next, we exploited an inducible mouse model of the cryopyrin-associated period syndrome (CAPS) carrying the dominant Nlrp3A350V mutation. Syngeneic transplant of IL-1RA-transduced HSPCs in Nlrp3A350V+CreT mice effectively prevented mice from disease onset and progression manifested as weight loss, leucocytosis, and high serum IL-6 level. Finally, preliminary data indicate that our gene therapy approach could improve mortality rate and disease severity in a mouse model of experimental autoimmune encephalomyelitis. Altogether, our results demonstrated that LV-mediated IL-1RA delivery in HSPCs is safe and efficient approach to controlling IL-1-mediated inflammation. These findings set the stage for future studies to evaluate the potential LV-mediated IL-1RA GT clinical application for IL-1-mediated systemic autoinflammatory diseases.

Le malattie autoinfiammatorie sistemiche si manifestano quando il sistema immunitario viene attivato in maniera incontrollata. Un sottogruppo cardinale di queste malattie comprende rare febbri periodiche caratterizzate dalla produzione disregolata della citochina proinfiammatoria interleuchina-1 (IL-1). Non esiste una cura per queste condizioni. Anakinra, il farmaco rappresentante la ricombinante dell'antagonista del recettore IL-1 (IL-1RA), è la terapia principale per questi pazienti. Tuttavia, l’anakinra ha una breve emivita e una scarsa distribuzione dei tessuti. I pazienti gravi rispondono in modo inadeguato e i loro sintomi non migliorano. Pertanto, è necessaria una terapia duratura che oltrepassi la somministrazione continua di farmaci e garantisca una risoluzione soddisfacente dell'infiammazione dei tessuti. In questo progetto di dottorato, abbiamo affrontato l'urgenza di sviluppare un trattamento efficace per queste malattie, basato su cellule staminali ematopoietiche che producono costitutivamente la proteina umana IL-1RA utilizzando un approccio di trasferimento genico mediato da vettori lentivirali (LV). Abbiamo dimostrato che le cellue staminali trasdotte producono in maniera efficace I-1RA. Il protocollo di trasduzione associato alla sovraespressione di IL-1RA non hanno alterato la vitalità cellulare, il potenziale clonogenico e l’abilità delle cellule staminali di differenziazione nel topo. Successivamente, abbiamo studiato se le cellule staminali esprimenti IL-1RA, una volta trapiantate nei topi potessero migliorare l'infiammazione acuta e cronica. Sono stati impiegati tre modelli di topi. L'espressione ectopica di IL-1RA da parte delle cellule immunitarie derivate dalle cellule staminali trapiantate ha soppresso il reclutamento dei neutrofili nel sito dell'infiammazione nei topi con peritonite indotta da cristalli di urato monosodico (MSU), noti attivatori del complesso NLRP3 dell’inflammasoma. Questo effetto protettivo era paragonabile a quello ottenuto da anakinra. Successivamente, abbiamo sfruttato un modello murino inducibile esprimente la mutazione dominante Nlrp3A350V associata alle sindromi periodiche associate alla criopirina (CAPS). Il trapianto singenico di cellule staminali trasdotte con IL-1RA in topi Nlrp3A350V+CreT ha efficacemente impedito ai topi l'insorgenza e la progressione della malattia associata a perdita di peso, leucocitosi e livelli sierici elevati dell’interleuchina 6. Infine, i nostri dati preliminari indicano che il nostro approccio di terapia genica potrebbe migliorare il tasso di mortalità e la gravità della malattia in un modello murino di encefalomielite autoimmune sperimentale. Complessivamente, i nostri risultati hanno dimostrato che la somministrazione di IL-1RA mediata da un vettore lentivirale nelle cellule staminali è un approccio sicuro ed efficiente per controllare l'infiammazione mediata da IL-1. Questi risultati hanno posto le basi per studi futuri per valutare la potenziale applicazione clinica della tarapia genica con IL-1RA per le malattie autoinfiammatorie sistemiche mediate da IL-1.