Scientifique
20/05/2021

Les réalités de la thérapie génique

Soigner des maladies en réparant ou en suppléant un gène malade au sein même des cellules, tel est le principe de la thérapie génique. Utilisée au départ pour soigner certaines pathologies monogéniques, elle représente désormais un formidable espoir en cancérologie.

L’émergence d’une idée

Lorsque les premiers gènes responsables de maladies génétiques sont identifiés – myopathie de Duchenne et mucoviscidose dans les années 1980 – les chercheurs imaginent très vite qu’en connaissant une anomalie, ils peuvent la réparer en introduisant une copie saine du gène – le transgène – pour suppléer sa version malade. Le principe paraît simple, dans la réalité, la recherche se heurte à quelques difficultés.

Notion de vecteur

Comment introduire un gène sain dans une cellule malade ? Comment faire en sorte qu’il pénètre la bonne cellule et qu’il y soit pleinement efficace ? 
Les chercheurs font pour cela appel aux virus*. Grâce aux progrès de la biologie moléculaire, ces virus sont modifiés, de façon à être les plus inoffensifs pour l’organisme – on supprime les gènes responsables de leur pathogénicité pour garder ceux ayant les capacités à pénétrer les cellules – et porteurs d’une copie saine du gène (le transgène) que l’on cherche à suppléer. On les qualifie alors de vecteurs viraux. 
Deux approches sont possibles pour que le vecteur soit adressé correctement dans les cellules à corriger : d’une part, par l’introduction du virus in vivo c’est-à-dire directement dans l’organisme du malade (ou dans un organe donné) ; d’autre part ex vivo et dans ce cas, on prélève des cellules du patient, que l’on infecte en laboratoire avec le virus modifié, avant de les réinjecter au malade. (suggestion de schéma):
 https://www.inserm.fr/sites/default/files/styles/thumbnail_scale_w816/public/2017-11/Inserm_57232_StrategiesTherapieGenique_PLargeur_0.jpg

Premiers succès, premières questions

En 1995, un premier essai clinique américain parvient à soigner deux enfants atteints d’une immunodéficience combinée sévère par déficit en adénosine désaminase (ADA-SCID) en transférant le gène de l’ADA dans les lymphocytes T1. En 2000, les travaux de l’équipe française du Pr Alain Fisher, Pr Marina Cavazzana et Pr Salima Hacein-Bey-Abina2 sur le traitement d’enfants atteints du déficit immunitaire combiné sévère lié à l’X (DICS-X) transforment l’essai en réalité. Dans cette maladie, l’espérance de vie des enfants atteints est très limitée puisqu’ils ne produisent pas de lymphocytes T, ce qui ne leur permet pas de lutter contre les infections : c’est pour cette raison qu’ils vivent dans un environnement complètement stérile, d’où leur nom de « bébés-bulle ». Lors de l’essai, les cellules-souches hématopoïétiques des jeunes patients sont prélevées puis infectées par un rétrovirus porteur du transgène. Ainsi modifiées génétiquement ex vivo, les cellules sont ensuite réintroduites chez les patients, ce qui permet d’obtenir un nombre correct de lymphocytes T et permet leur guérison. Mais ce succès s’obscurcit quelques années plus tard avec la survenue de leucémies chez certains des sujets traités. En cause, le rétrovirus utilisé pour véhiculer le transgène, qui a alors activé des oncogènes.

Le choix du vecteur revêt donc une très grande importance. Il ne doit pas provoquer de réaction immunitaire chez l’hôte et son transgène ne doit pas s’insérer n’importe où dans le génome. Il faut en plus s’assurer que ce transgène soit transcrit puis traduit (cf. encadré ci-dessous transcription/traduction) pour produire la protéine d’intérêt qui restaure la fonction qu’on veut traiter. Les obstacles sont donc nombreux, mais les travaux sur la thérapie génique ont permis de progresser sur ce terrain pour trouver les vecteurs les plus adaptés.

Transcription/traduction

La transcription d’un gène est l’étape de passage entre l’ADN et l’ARN messager (ARNm). La traduction est le passage de l’ARNm - succession d’acides nucléiques - en protéines - successions d’acides aminés - dans le respect du code génétique. L’expression du gène correspond à l’ensemble de ces étapes qui, d’une information génétique aboutit à la production d’une protéine donnée.

  Rétrovirus Lentivirus Adénovirus Virus adéno-associés
(AAV)
Capacité (en nombre de kilo-bases) 8 8 30 4,8
Intégratif/non intégratif Intégratif Intégratif Non Faible
Réponse immunitaire
Faible Faible Elevée Plutôt faible
Transmission (cellules germinales) Oui Oui Non Parfois
Avantages Expression efficace Expression stable Grand tropisme (tout type de tissu Faible pathogénicité
Inconvénients Intégration dans le génome qui peut générer un risque de cancer Intégration dans le génome qui peut générer un risque de cancer Peut engendrer une forte réaction immunitaire Capacité (en nombre de bases) moins grande que les autres vecteurs
Production Correcte Correcte Correcte Difficile

Différents vecteurs viraux

  • Les rétrovirus et les lentivirus permettent d’apporter un transgène dans la cellule et de faire en sorte que cette copie s’intègre à l’ADN de l’hôte et soit donc maintenue lors des divisions cellulaires : ils sont dits « intégratifs ». Leur utilisation permet donc une présence pérenne du transgène une fois la thérapie entreprise. Néanmoins, du fait de cette intégration aléatoire dans le génome, les vecteurs rétroviraux peuvent perturber le fonctionnement d’autres gènes, comme ce fut le cas dans les premiers essais. Les vecteurs issus de lentivirus ont des profils d’intégration plus sûrs.
  • Les adénovirus et les virus adéno-associés (AAV), dont le transgène ne s’intègre pas dans l’ADN de l’hôte - ils sont dit « non-intégratifs » - ne perturbent pas le génome de l’hôte car ils restent sous forme épisomale, libres. Ils ne sont pas transmis lors des divisions cellulaires, ils peuvent nécessiter un traitement itératif pour maintenir une efficacité. Les adénovirus peuvent provoquer une forte réaction immunitaire et ne sont pas utilisés pour les maladies génétiques mais surtout en cancérologie. Les AAV sont aussi immunogènes et ils ne permettent le transfert que de séquences plus courtes.

Aujourd’hui, la principale difficulté est de parvenir à les produire en quantité suffisante pour la thérapie génique et de trouver le modèle idéal pour un ciblage précis : si la thérapie génique est relativement facile à réaliser lorsqu’elle cible les cellules sanguines (on peut prélever facilement et ré-injecter les cellules une fois mise en contact avec le vecteur viral), la tâche se révèle plus ardue lorsqu’il s’agit de cibler des tissus en particulier : pour les maladies musculaires, respiratoires, cardiaques, neurologiques ou digestives, la recherche travaille donc à trouver les bons vecteurs.

Les différentes stratégies de la thérapie génique

  • Suppléer un gène déficient
    Lorsqu’un gène malade ne parvient pas à produire une protéine d’intérêt, on peut le remplacer par le transgène fonctionnel correspondant. Le gène déficient est toujours présent dans le génome du malade mais la déficience est corrigée par l’apport du transgène qui prend le relais pour produire une protéine fonctionnelle. C’est l’approche utilisée dans les déficits immunitaires (comme le DICS-X) ou encore l’hémophilie3,4.
    On peut également soigner des maladies dont le gène malade produit une protéine toxique pour l’organisme, comme l’hémoglobine S dans le cas de la drépanocytose. Dans cette maladie, l’hémoglobine présente une anomalie qui modifie les hématies en leur donnant une forme de faucille une fois que l’oxygène a été libéré dans les capillaires, ce qui conduit à des crises vaso-occlusives et une anémie chronique. Un essai publié en 2017 par le Pr Marina Cavazzana sur la thérapie génique contre la drépanocytose a permis de libérer le patient de toute complication liée à cette pathologie et ceci d’une façon stable  à ce jour5.
    Toutefois, le fait d’apporter une copie saine du gène ne suffit pas toujours et les chercheurs travaillent aussi à inactiver un gène malade voire à le réparer.
  • Inactiver un gène déficient
    Lorsqu’un gène déficient produit une protéine qui peut être toxique pour l’organisme, on peut inhiber son fonctionnement pour qu’il ne soit pas traduit, sous cette forme déficiente. On utilise divers mécanismes pour bloquer la synthèse de certaines parties de l’ARNm qui aboutira, par exemple, à une protéine plus courte mais fonctionnelle alors que sa version malade la rendait non-fonctionnelle. C’est l’approche utilisée pour le traitement de l’amyotrophie spinale6,7.
  • Réparer un gène déficient
    Grâce aux progrès du génie génétique et aux outils moléculaires, on peut cibler un gène malade, le retirer du génome et le remplacer par sa version saine. C’est grâce au pouvoir des ciseaux moléculaires Crispr/Cas9. C’est une approche utilisée récemment dans la drépanocytose8,9.
  • Apporter un nouveau gène
    Il arrive que dans certaines pathologies, notamment les cancers, les chercheurs veuillent « reprogrammer » certaines cellules immunitaires pour qu’elles puissent détecter et tuer les cellules cancéreuses. Pour cela, on fabrique des cellules immunitaires qui fabriquent à leur surface des récepteurs chimériques capables de reconnaître spécifiquement les cellules cancéreuses : ce sont les CAR-T cells (pour Chimeric Antigen receptor cells T, lymphocytes T porteurs d’un récepteur antigénique chimérique) qui sont utilisées dans de plus en plus de thérapies anti-cancéreuses.
  • Détruire une cellule malade avec un gène-suicide
    C’est une autre option de la stratégie anti-cancéreuse : on utilise un virus modifié génétiquement pour qu’il infecte et détruise spécifiquement une cellule donnée, en l’occurrence une cellule cancéreuse. Un essai a récemment été publié dans un modèle murin de cancer du colon10.

Conclusion

Dès les premiers essais de thérapie génique menés par Anderson et Blaes1, le Pr Rosenberg transpose le modèle à la cancérologie en transférant le gène de facteur de nécrose des tumeurs (TNF) chez des patients atteints de mélanome11 ce qui ouvre la porte de la thérapie génique au traitement des cancers12. Depuis, une multitude d’essais ont été menés avec la naissance de médicaments anticancéreux de thérapie génique. 

*en majorité, les vecteurs sont issus de virus, même si quelques essais concernent l’injection directe d’ADN.  


Merci au Pr Marina Cavazzana, directrice du département de biothérapie de l'hôpital Necker pour ses éclairages.

Bibliographie : 
1. Blaese et al. T lymphocyte-directed gene therapy for ADA- SCID: initial trial results after 4 years, Science, 1995 Oct 20;270(5235) ( https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/7570001/)
2. Cavazzana-Calvo et al. Gene therapy of human severe combined immunodeficiency (SCID)-X1 disease, Science 2000 Apr 28;288(5466):669-72 ( https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10784449)
3. Nathawani e tal. Adenovirus-associated virus vector-mediated gene transfer in hemophilia B, N Engl J Med, 2011 Dec 22;365(25):2357-65  https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22149959/
4. George et al. Hemophilia B Gene Therapy with a High-Specific-Activity Factor IX Variant, NEJM, 2017 Dec 7;377(23):2215-2227  https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29211678/
5. Cavazzana et al. Gene Therapy in a Patient with Sickle Cell Disease, New England Journal of Medicine, 2017 Mar 2;376(9):848-855  https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28249145/
6. Amyotrophie spinale infantile, M. Barkats, 2020, Médecine Sciences.  https://www.medecinesciences.org/en/articles/medsci/pdf/2020/02/msc190298.pdf
7. Le dossier de l’AFM/Téléthon sur l’amyotrophie spinale  https://www.afm-telethon.fr/sites/default/files/flipbooks/avancees_dans_les_amyotrophies_spinales_proximales/publication/av20_smabat.pdf
8. Haydar Frangoul et al, CRISPR-Cas9 Gene Editing for Sickle Cell Disease and β-Thalassemia, New England Journal of Medicine,  https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33283989
9. Miccio et al. Editing a γ-globin repressor binding site restores fetal hemoglobin synthesis and corrects the sickle cell disease phenotype, Science Advances, 2020 Feb 12;6(7)  https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32917636/
10. Kim et al. Recombinant Orthopoxvirus Primes Colon Cancer for Checkpoint Inhibitor and Cross-Primes T Cells for Antitumor and Antiviral Immunity, 2021, Molecular Cancer therapeutics 2021 Jan;20(1):173-182  https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33262221/
11. Rosenberg et al. Gene transfer into humans--immunotherapy of patients with advanced melanoma, using tumor-infiltrating lymphocytes modified by retroviral gene transduction, NEJM 1990 Aug 30;323(9):570-8  https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/2381442/
12. Rosenberg et al. The development of gene therapy for the treatment of cancer, Annals of surgery, 1993 Oct;218(4):455-63  https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8215637

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Établi en août 2022