Metachromatic Leukodystrophy (MLD) is an autosomal recessive disease caused by defects in Arylsufatase A (ARSA), a lysosomal enzyme that degrades sulfatides. Neurological manifestations include white matter signs in the central and peripheral nervous systems (CNS, PNS), seen as neuroinflammation and neurodegeneration. Ex vivo hematopoietic stem cell gene therapy (HSC GT) using autologous HSCs engineered by lentiviral vectors (LV) to express supraphysiological ARSA levels provides superior benefit to MLD patients as compared to conventional allogeneic HSC transplant (HSCT). While the key role of metabolically-competent HSC myeloid progeny in providing immunomodulation and neuroprotection is recognized, the exact mechanism of myeloid-mediated enzymatic cross-correction of MLD neural cells is unclear. Here, we showed that the ARSA enzyme released by LV.ARSA-transduced MLD monocyte-derived macrophages cross-correct enzyme-deficient neurons and glial cells derived from MLD patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSCs). ARSA over-expression did not impact on the survival and M1/M2 differentiation potential. Also, M1/M2 macrophage polarization did not influence ARSA production and secretion, leading to a comparable ARSA uptake in MLD neurons and glia through mechanisms that are mediated, at least in part, by the mannose-6-phosphate receptor. Indeed, our data in human myeloid cell lines suggest that the transgenic ARSA enzyme is post-transcriptionally modified through the phosphorylation of mannose-6 residues. Taking advantage of unique in vitro human disease models, we demonstrated the occurrence of myeloid-mediated metabolic correction of ARSA-deficient neurons and glial cells in a clinically-relevant HSC GT setting.

Titolo: Comprendere i meccanismi di correzione enzimatica tra cellule mieloidi e neurali nella terapia genica con cellule staminali ematopoietica per il trattatamento della Leucodistrofia Metacromatica Abstract: La leucodistrofia metacromatica (MLD) è una malattia autosomica recessiva causata da difetti nell'arilsufatasi A (ARSA), un enzima lisosomiale che degrada i sulfatidi. Le manifestazioni neurologiche coinvolgono la sostanza bianca nel sistema nervoso centrale e periferico (CNS, PNS) e si manifestano come neuroinfiammazione e neurodegenerazione. La terapia genica con cellule staminali ematopoietiche (HSC GT) utilizza HSC autologhe ingegnerizzate con vettori lentivirali (LV) per esprimere livelli sovrafisiologici di ARSA. Questa terapia offre un beneficio clinico superiore ai pazienti affetti da MLD rispetto al trapianto allogenico convenzionale di HSC (HSCT). Sebbene sia riconosciuto il ruolo chiave della progenie mieloide delle HSC ingegnerizzate nel fornire immunomodulazione e neuroprotezione, non è stato ancora completamente caratterizzato il meccanismo di correzione enzimatica delle cellule neurali MLD mediato dalle cellule mieloidi. In questo progetto abbiamo dimostrato che l'enzima rilasciato dai macrofagi MLD, ingegnerizzati per esprimere livelli sovrafisiologici di ARSA, corregge metabolicamente neuroni e cellule gliali derivati da cellule staminali pluripotenti indotte (hiPSC) di pazienti MLD. La sovraespressione di ARSA non influenza la vitalità ed il differenziamento delle cellule ingegnerizzate. Inoltre, la polarizzazione dei macrofagi verso uno stato pro- o anti-infiammatorio non modifica la produzione e la secrezione di ARSA e la capacità dell'enzima di indurre correzione metabolica delle cellule neurali. Abbiamo infine individuato i meccanismi molecolari che regolano la correzione enzimatica delle cellule MLD dimostrando che essa dipende, almeno in parte, dal recettore del mannosio-6-fosfato espresso nelle cellule neurali. Utilizzando modelli cellulari umani di malattia abbiamo caratterizzato il meccanismo di correzione enzimatica di neuroni e cellule gliali mediata da cellule mieloidi in un contesto clinicamente rilevante di HSC GT.

METACHROMATIC LEUKODYSTROPHY

LEUCODISTROFIA METACROMATICA