No therapy is currently available for CDKL5 deficiency disorder (CDD), a severe neurodevelopmental disorder caused by mutations in the CDKL5 gene. Although delivery of a wild-type copy of the mutated gene to cells represents the most curative approach for a monogenic disease, proof-of-concept studies highlight significant efficacy caveats for treatment of brain diseases. The major caveat regards the low efficiency of gene delivery to the CNS by viral vectors, and risk of toxic side effects connected with large vector doses. Herein, we developed a cross-correction-based strategy to enhance the efficiency of a gene therapy for CDD. We created a vector for gene therapy that produces an Igk-TATk-CDKL5 fusion protein that can be secreted via constitutive secretory pathways in view of the properties of the Igk-chain leader sequence polypeptide. Importantly, due to the transduction property of the TATk peptide, the secreted fusion protein can be internalized by cells. We carried out a comparative evaluation of CDKL5 and TATk-CDKL5 protein biodistribution in vivo and the effect of intravascular treatment with the AAVPHP.B_CDKL5 vector or AAVPHP.B_Igk-TATk-CDKL5 vector on brain structure and behavior in adult symptomatic Cdkl5 knockout (KO) mice. We found that, although AAVPHP.B_Igk-TATk-CDKL5 and AAVPHP.B_CDKL5 vectors had similar brain infection efficiency, the AAVPHP.B_Igk-TATk-CDKL5 vector led to a higher CDKL5 protein replacement due to secretion and transduction of the TATk-CDKL5 protein into the neighboring cells. Importantly, Cdkl5 KO mice treated with the AAVPHP.B_Igk-TATk-CDKL5 vector showed a behavioral and neuroanatomical improvement in comparison with vehicle-treated or AAVPHP.B_CDKL5 vector-treated Cdkl5 KO mice. Hence, we provide the first evidence that a gene therapy based on a cross-correction approach is more effective at compensating Cdkl5-null brain defects than gene therapy based on the expression of the native CDKL5, opening avenues for the development of this innovative approach for other monogenic diseases.

Un innovativo approccio di terapia genica basato su una proteina CDKL5 ricombinante è più efficace di un approccio classico nel correggere i difetti nel modello murino della patologia CDKL5 Nessuna terapia è attualmente disponibile per il disturbo da deficit di CDKL5 (CDD), un grave disturbo dello sviluppo neurologico causato da mutazioni nel gene CDKL5. Sebbene fornire una copia sana del gene mutato alle cellule rappresenti l'approccio più curativo per una malattia causata da mutazioni in un unico gene, gli studi hanno evidenziato ostacoli significativi all'efficacia di questo trattamento per le malattie cerebrali. Il problema principale riguarda la bassa efficienza di arrivo dell'informazione genica al sistema nervoso centrale tramite l'uso di vettori virali e il rischio di effetti collaterali tossici connessi a grandi dosi di vettori. Abbiamo quindi sviluppato una strategia per migliorare l'efficienza di una terapia genica per CDD basata su di una proteina CDKL5 modificata. Grazie a questa modifica, la proteina CDKL5 che viene prodotta dalle cellule che sono state raggiunte dall'informazione genica tramite virus, può essere secreta all'esterno della cellula; la proteina così secreta può essere poi internalizzata dalle cellule adiacenti che non hanno invece ricevuto l'informazione per produrla loro stesse. In questo modo, le cellule che ricevono l'informazione fungono da fabbrica per la produzione della proteina che riesce ad essere poi raccolta anche dalle altre cellule, massimizzando così il numero di cellule che ricevono l'agente terapeutico e aumentando l'efficienza della terapia. Per valutare l'efficacia di questo nuovo approccio rispetto ad uno classico, abbiamo valutato l'effetto del trattamento con la terapia genica innovativa sul modello murino della patologia CDKL5 confrontandolo con quello di una terapia genica classica. Comparando i risultati è emerso che a parità di efficacia di arrivo al sistema nervoso centrale, i topi trattati con il vettore con la proteina modificata hanno un maggiore numero di cellule cerebrali raggiunte dalla proteina CDKL5. Inoltre, questi topi hanno mostrato un miglioramento comportamentale e neuroanatomico rispetto ai topi di controllo o trattati con il vettore classico. Pertanto, con questo lavoro forniamo una prima prova che una terapia genica basata su un approccio di correzione incrociata è più efficace nel compensare i difetti cerebrali di topi Cdkl5 rispetto alla terapia genica basata sull'espressione della CDKL5 nativa. Questo studio apre la strada per lo sviluppo di questo approccio innovativo anche per altre malattie monogeniche.

Medici G, Tassinari M, Galvani G, Bastianini S, Gennaccaro L, Loi M, Mottolese N, Alvente S, Berteotti C, Sagona G, Lupori L, Candini G, Baggett HR, Zoccoli G, Giustetto M, Muotri A, Pizzorusso T, Nakai H, Trazzi S, Ciani E. Expression of a Secretable, Cell-Penetrating CDKL5 Protein Enhances the Efficacy of Gene Therapy for CDKL5 Deficiency Disorder. Neurotherapeutics. 2022 Oct;19(6):1886-1904. doi: 10.1007/s13311-022-01295-8. Epub 2022 Sep 15. PMID: 36109452; PMCID: PMC9723029.

CDKL5 Deficiency Disorder

Disordine da deficit di CDKL5