Sviluppo di un approccio pre-clinico di terapia genica mediante AAV per il trattamento della neurodegenerazione associata alla proteina COASY

COASY protein-associated neurodegeneration (CoPAN) is a rare disease that is part of the heterogenic group of the neurodegeneration with brain iron accumulation (NBIA). The disease is caused by recessive mutations in the COASY gene, causing metabolic alterations and neurodegeneration, with typical onset in early childhood. The gene encodes the bifunctional enzyme named CoA synthase, which catalyzes the final two reactions of coenzyme A (CoA) cellular biosynthesis. CoA is an essential cofactor participating in hundreds of biochemical reactions involved in energy production, lipid and fatty acids metabolism, and cellular homeostasis. CoPAN patients are affected by progressive dystonia, spasticity, and gait alteration, leading to a gradual loss of motor autonomy. These symptoms are often accompanied by cognitive decline and behavioral alterations. Unlike other NBIA disorders, iron accumulation in the brain is not always observed in CoPAN, suggesting that iron toxicity may be secondary to the neuronal damage resulted from altered CoA metabolism. However, the precise pathogenesis remains unclear, and no disease-modifying treatments are currently available. This thesis investigates a preclinical AAV-mediated gene therapy approach for CoPAN, aiming to restore CoA synthase function in the central nervous system. To achieve this goal, an AAV9-based viral vector delivery system was designed to express the human COASY gene in a mouse preclinical model of the disease. The evaluation of the treatment effectiveness was carried out in vivo by clinical evaluation and behavioral tests to assess motor function, and ex vivo by the analyses of COASY protein expression, histological and molecular studies to assess virus distribution in the brain and possible toxic effects, and the analysis of markers linked to iron dyshomeostasis. Results demonstrated that while no inflammatory signs were observed due to viral infection, the expression of the human COASY in the brain was able to significantly improve mice survival and motor performance, as well as to restore brain iron homeostasis. These findings confirm the critical role of CoA synthase in CoPAN pathogenesis and suggest that AAV-mediated gene therapy could represent a promising strategy to counteract disease progression. While further research is needed to optimize the efficacy and safety of this therapeutic approach, these results provide a solid preclinical proof of principle for future clinical applications, aiming to develop novel treatment options for CoPAN and other NBIA or neurodegenerative disorders.

La neurodegenerazione associata alla proteina COASY (CoPAN) è una malattia rara classificata all’interno delle neurodegenerazioni con accumulo di ferro cerebrali (NBIA). La malattia è causata da mutazioni recessive nel gene COASY, che portano ad alterazioni metaboliche e neurodegenerazione, con esordio precoce. Il gene codifica l'enzima bifunzionale CoA sintasi, che catalizza gli ultimi due passaggi della biosintesi del coenzima A (CoA). Il CoA è un cofattore essenziale per diverse reazioni biochimiche; dal metabolismo energetico, metabolismo lipidico e degli acidi grassi, all'omeostasi cellulare. I pazienti CoPAN sono colpiti da distonia progressiva, spasticità e disturbi dell'andatura, che portano ad una graduale perdita dell’autonomia motoria. Questi sintomi sono spesso accompagnati da problemi cognitivi e disturbi comportamentali. A differenza di altre malattie NBIA, l'accumulo di ferro nel cervello non è sempre osservato nella CoPAN, il che suggerisce che la tossicità del ferro potrebbe essere secondaria al danno neuronale derivante dall’alterato metabolismo del CoA. Tuttavia, i meccanismi patogenici alla base della malattia rimangono poco chiari e al momento non sono disponibili trattamenti definitivi. Questa tesi esamina un approccio preclinico di terapia genica mediante AAV per la malattia CoPAN, con l'obiettivo di ripristinare la funzione della CoA sintasi nel sistema nervoso centrale. Per raggiungere questo obiettivo, è stato generato e somministrato un vettore virale AAV9 che esprimesse il gene umano COASY in un modello murino della malattia. Per determinare l’efficacia del trattamento sono state eseguite analisi in vivo basate sull’osservazione clinica e comportamentale al fine di valutare la funzione motoria degli animali, ed analisi ex vivo per analizzare l'espressione della proteina COASY, studi istologici e molecolari per valutare al distribuzione del visus nel cervello e possibili effetti tossici ed analisi di marcatori legati all’ omeostasi del ferro. I risultati dimostrano che non ci sono segni di infiammazione associati all’infezione virale e che l’espressione di COASY umana nel cervello porta ad un significativo aumento della sopravvivenza e miglioramento delle prestazioni motorie nei topi trattati, insieme al ripristino dell'omeostasi del ferro nel cervello. Questi risultati confermano il ruolo critico della CoA sintasi nella patogenesi della malattia CoPAN e suggeriscono che la terapia genica basata sugli AAV potrebbe essere una strategia promettente per contrastare la progressione della malattia. Sebbene siano necessarie ulteriori ricerche per ottimizzare l'efficacia e la sicurezza di questo approccio terapeutico, questi risultati forniscono una solida prova di principio per future applicazioni cliniche, volte a sviluppare nuove opzioni di trattamento per la CoPAN e altre NBIA o disturbi neurodegenerativi.