La terapia precoce con CAR-astrociti previene la formazione di placche nel modello murino di Alzheimer / Early CAR-Astrocyte Therapy Prevents Plaque Formation in Alzheimer’s Mouse Model
La terapia precoce con CAR-astrociti previene la formazione di placche nel modello murino di Alzheimer / Early CAR-Astrocyte Therapy Prevents Plaque Formation in Alzheimer’s Mouse Model
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
I ricercatori della Washington University School of Medicine di St. Louis hanno sviluppato astrociti geneticamente modificati che esprimono recettori antigenici chimerici (CAR) come promettente sistema di immunoterapia in grado di eliminare gli accumuli di amiloide-β (Aβ), una caratteristica patologica distintiva del morbo di Alzheimer (AD), nel cervello dei topi.
"Questo studio segna il primo tentativo riuscito di ingegnerizzare gli astrociti per colpire e rimuovere specificamente le placche di beta-amiloide nel cervello dei topi affetti da malattia di Alzheimer", ha affermato Colonna. "Sebbene siano necessari ulteriori studi per ottimizzare l'approccio e affrontare i potenziali effetti collaterali, questi risultati aprono una nuova entusiasmante opportunità per sviluppare gli astrociti CAR come immunoterapia per le malattie neurodegenerative e persino per i tumori cerebrali".
Colonna è l'autore principale dell'articolo pubblicato dal team su Science, intitolato " Targeting amyloid-β pathology by chimeric antigen receptor astrocyte (CAR-A) therapy ", in cui affermano: "Nel complesso, i nostri risultati dimostrano l'efficacia del concetto di CAR-A anti-Aβ e mettono in evidenza il potenziale terapeutico di CAR-A per ridurre la deposizione di Aβ e trattare l'AD".
Il morbo di Alzheimer inizia con l'accumulo di amiloide-β in placche nel cervello, innescando una catena di eventi che provoca atrofia cerebrale e declino cognitivo. "Il morbo di Alzheimer (MA) è la principale causa di demenza ed è caratterizzato da un progressivo accumulo di amiloide seguito da neurodegenerazione mediata dalla proteina tau", hanno scritto gli autori. La microglia, cellule immunitarie che risiedono nel cervello, è responsabile della rimozione dei rifiuti cerebrali, ma può diventare disfunzionale se sovraccaricata nel contesto di una malattia neurodegenerativa.
"Attualmente, la strategia più efficace per rallentare la progressione dell'AD prevede l'uso di anticorpi monoclonali anti-Aβ, tre dei quali hanno recentemente ricevuto l'approvazione clinica", ha proseguito il team. Tuttavia, hanno osservato che "gli attuali trattamenti con anticorpi monoclonali comportano potenziali effetti collaterali, tra cui anomalie di imaging correlate all'amiloide. Un'altra sfida è determinare la finestra di trattamento ottimale". C'è un urgente bisogno di nuovi approcci terapeutici che offrano maggiore efficacia, sicurezza, praticità e flessibilità per il trattamento dell'AD, hanno affermato.
Come le terapie con cellule CAR-T utilizzate per il trattamento del cancro, in cui le cellule T del sistema immunitario vengono geneticamente modificate per attaccare le cellule tumorali, il nuovo approccio del gruppo fornisce alle cellule – in questo caso le cellule cerebrali chiamate astrociti – un dispositivo di localizzazione CAR per agganciare un bersaglio da distruggere. Queste nuove cellule CAR-astrociti presentano caratteristiche che le trasformano in super-depuratori che rimuovono dal cervello le proteine dannose che svolgono un ruolo nel declino cognitivo. "Abbiamo introdotto CAR anti-Aβ negli astrociti utilizzando un virus adeno-associato (AAV), creando astrociti che esprimono CAR (CAR-A) che potrebbero agire come super-fagociti, prendendo di mira e rimuovendo specificamente gli aggregati extracellulari di Aβ", hanno spiegato.
Per ridurre il carico di pulizia sulla microglia, il primo autore Yun Chen, PhD, allora studente laureato nei laboratori del Colonna, ed il coautore David M. Holtzman, MD, professore di neurologia Barbara Burton e Reuben M. Morriss III presso la WashU Medicine, hanno trasformato gli astrociti, il tipo di cellula più abbondante nel cervello, in macchine per la pulizia dell'amiloide. Hanno progettato e somministrato agli astrociti un gene personalizzato che codifica per il recettore chimerico dell'antigene (CAR) tramite un virus innocuo iniettato nei topi.
Il CAR, ora presente sulla superficie degli astrociti, ha permesso alle cellule di catturare e fagocitare le proteine beta-amiloidi. Grazie alla loro nuova capacità acquisita, gli astrociti – un tipo di cellula generalmente responsabile del mantenimento dell'ordine nel cervello – hanno concentrato i loro sforzi esclusivamente sulla pulizia delle placche di beta-amiloide nei topi predisposti al suo accumulo. Due diversi costrutti CAR sono stati creati e valutati in modelli murini di AD.
I topi portatori di mutazioni genetiche che aumentano il rischio di sviluppare il morbo di Alzheimer sviluppano placche di beta-amiloide che saturano il cervello entro i sei mesi di età. Chen, all'epoca ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Holtzman, ha somministrato i costrutti CAR-A veicolati tramite AAV per iniezione a topi giovani prima che sviluppassero le placche ed a topi più anziani con cervelli saturi di placche. Gli animali sono stati seguiti per tre mesi.
I ricercatori hanno scoperto che, con l'invecchiamento dei topi più giovani, gli astrociti CAR prevenivano lo sviluppo di placche di beta-amiloide. A quasi sei mesi di età, quando i topi non trattati hanno normalmente il cervello saturo di placche dannose, il cervello dei topi trattati era privo di placche. I topi più anziani, il cui cervello era già saturo di placche al momento del trattamento, hanno mostrato una riduzione del 50% della quantità di placche di beta-amiloide rispetto ai topi trattati con un'iniezione di un virus privo del gene CAR.
"Un intervento precoce, prima della formazione della placca, ha ottenuto una maggiore prevenzione dell'amiloide, suggerendo il potenziale per un trattamento una tantum in grado di modificare la malattia... Una singola iniezione di AAV ha portato ad un'espressione sostenuta di CAR negli astrociti per almeno tre mesi ed ad una riduzione del carico di placca", hanno scritto gli autori in sintesi. "Il sequenziamento dell'RNA a singolo nucleo mostra che il trattamento con CAR-A induce una distinta risposta gliale alla patologia amiloide che coinvolge l'attività coordinata di astrociti e microglia".
I ricercatori hanno depositato un brevetto, con il supporto dell'Office of Technology Management della WashU, relativo all'approccio utilizzato per progettare gli astrociti CAR. "In linea con i trattamenti farmacologici con anticorpi, questa nuova immunoterapia con astrociti CAR è più efficace se somministrata nelle fasi iniziali della malattia", ha affermato Holtzman. "Ma dove si differenzia, e dove potrebbe fare la differenza nell'assistenza clinica, è nella singola iniezione che ha ridotto con successo la quantità di proteine cerebrali dannose nei topi".
In studi futuri, gli autori mirano a continuare a migliorare la loro immunoterapia CAR-astrociti, perfezionandone il progetto per colpire meglio le proteine dannose, garantendo al contempo l'assenza di effetti dannosi sulle normali funzioni delle cellule cerebrali. Inoltre, adattando il dispositivo di localizzazione CAR per riconoscere marcatori specifici sui tumori cerebrali, potrebbero potenzialmente modificare la funzione degli astrociti dalla rimozione dei detriti all'uccisione diretta delle cellule tumorali. Un simile approccio potrebbe offrire un nuovo promettente modo per trattare i tumori cerebrali ed altre malattie del sistema nervoso centrale.
"Guardando al futuro, l'ottimizzazione continua sarà fondamentale per massimizzare la clearance dell'amiloide preservando l'integrità neuronale, minimizzare gli effetti off-target ed estendere questo approccio ad altri tipi di cellule", hanno affermato gli autori. "Insieme, questi risultati posizionano l'ingegneria CAR come una strategia scalabile e personalizzabile per il trattamento delle malattie neurodegenerative".
In una prospettiva correlata, Jake Boles, PhD, e David Gate, PhD, della Feinberg School of Medicine della Northwestern University, hanno affermato che lo studio di Colonna et al. contribuisce a gettare le basi per strategie CAR "sempre più innovative" nell'AD. "Con il progredire delle tecnologie CAR ed il miglioramento della capacità di neutralizzare selettivamente le proteine tossiche, questi approcci si rivelano promettenti per l'AD ed altre patologie neurodegenerative", hanno scritto.
ENGLISH
Researchers at Washington University School of Medicine in St. Louis have developed genetically altered astrocytes that express chimeric antigen receptors (CARs) as a promising immunotherapy system capable of clearing accumulations of amyloid-β (Aβ)—a hallmark pathological feature of Alzheimer’s disease (AD)—in the brains of mice.
Recently approved anti-Aβ antibody therapies have shown moderate success in slowing AD progression. However, these treatments require large doses, repeated administration, and are associated with potentially serious side effects. To reduce the frequency of treatment and potentially improve the efficacy of anti-amyloid therapy, scientists headed by Marco Colonna, MD, the Robert Rock Belliveau, MD, professor of pathology at WashU Medicine engineered CAR-expressing astrocytes—CAR-As, as a new type of cellular immunotherapy. Their tests in mice showed that a single injection of the CAR-A treatment prevented amyloid plaques from developing when given before plaques start to form. A single treatment in animals that had already developed plaques also cut the amount of amyloid plaques in half.
“This study marks the first successful attempt at engineering astrocytes to specifically target and remove amyloid beta plaques in the brains of mice with Alzheimer’s disease,” said Colonna. “Although more work needs to be done to optimize the approach and address potential side effects, these results open up an exciting new opportunity to develop CAR-astrocytes into an immunotherapy for neurodegenerative diseases and even brain tumors.”
Colonna is senior author of the team’s published paper in Science, titled “Targeting amyloid-β pathology by chimeric antigen receptor astrocyte (CAR-A) therapy,” in which they stated, “Overall, our results demonstrate the effectiveness of the anti-Aβ CAR-A concept and highlight the therapeutic potential of CAR-A for decreasing Aβ deposition and treating AD.”
Alzheimer’s disease starts with the buildup of amyloid-β into plaques in the brain, setting off a chain of events that results in brain atrophy and cognitive decline. “Alzheimer’s disease (AD) is the leading cause of dementia and is characterized by progressive amyloid accumulation followed by tau-mediated neurodegeneration,” the authors wrote. Microglia, immune cells that reside in the brain, are responsible for removing brain waste but can become dysfunctional when overwhelmed in the context of neurodegenerative disease.
“Currently, the most effective strategy for slowing AD progression involves anti-Aβ monoclonal antibodies, three of which have recently received clinical approval,” the team continued. However, they noted “Current mAb treatments carry potential side effects including amyloid-related imaging abnormalities. Another challenge is determining the optimal treatment window.” There is an urgent need for new therapeutic approaches that offer improved efficacy, safety, convenience, and flexibility for AD treatment, they stated.
Like CAR T cell therapies used for cancer treatment, in which T cells of the immune system are genetically modified to attack cancer cells, the team’s new approach equips cells—in this case brain cells called astrocytes—with a CAR homing device to grab onto a target for destruction. These new CAR-astrocyte cells have features that transform them into super cleaners that remove damaging proteins from the brain that play a role in cognitive decline. “We introduced anti-Aβ CARs into astrocytes using an adeno-associated virus (AAV), creating CAR-expressing astrocytes (CAR-A) that could act as super-phagocytes, specifically targeting and removing extracellular Aβ aggregates,” they explained.
To reduce the cleaning burden on microglia, first author Yun Chen, PhD, then a graduate student in the labs of Colonna and co-author David M. Holtzman, MD, the Barbara Burton and Reuben M. Morriss III distinguished professor of neurology at WashU Medicine, transformed astrocytes, the most abundant cell type in the brain, into amyloid-cleaning machines. He custom-designed and delivered a gene to astrocytes that codes for the chimeric antigen receptor (CAR) via a harmless virus injected into mice.
The CAR, now present on the surface of astrocytes, enabled the cells to capture and engulf amyloid beta proteins. With their newly acquired ability, the astrocytes—a cell type generally responsible for keeping the brain tidy—concentrated their efforts on only cleaning amyloid beta plaques in mice prone to its buildup. Two different CAR constructs were created and evaluated in mouse models of AD.
Mice carrying genetic mutations that increase people’s risk of developing Alzheimer’s disease develop amyloid-β plaques that saturate the brain by six months of age. Chen, at this time a postdoctoral researcher in the Holtzman lab, administered the AAV-delivered CAR-A constructs by injection into young mice before they developed plaques, and into older mice with brains that were saturated with plaques. The animals were followed for three months.
The researchers found that as the younger mice aged, the CAR-astrocytes prevented amyloid beta plaque development. At nearly six months of age, when untreated mice normally have brains saturated with harmful plaques, brains of the treated mice were plaque free. The older mice that had already plaque-saturated brains at the time of treatment exhibited a 50% reduction in the amount of amyloid-β plaques compared with mice receiving an injection of a virus lacking the CAR gene.
“Early intervention—before plaque formation—achieved greater amyloid prevention, suggesting the potential for a one-time, disease-modifying treatment … A single AAV injection led to sustained CAR expression in astrocytes for at least three months and decreased plaque load,” the authors wrote in summary. “Single-nucleus RNA sequencing shows that CAR-A treatment induces a distinct glial response to amyloid pathology involving coordinated activity of astrocytes and microglia.”
The researchers have filed a patent, with help from the Office of Technology Management at WashU, related to the approach used to engineer CAR-astrocytes. “Consistent with the antibody drug treatments, this new CAR-astrocyte immunotherapy is more effective when given in the earlier stages of the disease,” said Holtzman. “But where it differs, and where it could make a difference in clinical care, is in the single injection that successfully reduced the amount of harmful brain proteins in mice.”
In future studies, the authors aim to continue improving their CAR-astrocyte immunotherapy by fine-tuning its design to better target harmful proteins, while ensuring no harmful effects on normal brain cell functions. Additionally, by adjusting the CAR homing device to recognize specific markers on brain tumors, they could potentially switch astrocytes’ function from cleaning up debris to directly killing tumor cells. Such an approach could offer a promising new way to treat brain tumors and other central nervous system diseases.
“Looking ahead, continued optimization will be critical to maximize amyloid clearance while preserving neuronal integrity, minimize off-target effects, and extend this approach to additional cell types,” the authors stated. “Together, these findings position CAR engineering as a scalable and tunable strategy for treating neurodegenerative disease.”
In a related perspective, Jake Boles, PhD, and David Gate, PhD, at Feinberg School of Medicine, Northwestern University, said that the study by Colonna et al. helps to establish a foundation for “increasingly innovative” CAR strategies in AD. “As CAR technologies mature and the ability to selectively neutralize toxic proteins improves, these approaches hold substantial promise for AD and other neurodegenerative disorders,” they wrote.
Da:
https://www.genengnews.com/topics/drug-discovery/early-car-astrocyte-treatment-prevents-amyloid-plaque-formation-in-alzheimers-disease-mouse-model/?_hsenc=p2ANqtz-_qvaDzuVWsD_QR0bvO-rDas4Z8zgTtCxE9aS4_DNBUHg1mSdW2Fio9YJPk7Hs46EmFaliIIHdzvpIfm8JLfKszIySxPe3TW61_OOMrXkWvtljV1T8&_hsmi=407716535
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