Chances and Shortcomings of Adenovirus-Mediated ATP7B Gene Transfer in Wilson Disease: Proof of Principle Demonstrated in a Pilot Study with LEC rats

Abstract

Background & Aims: Wilson disease (WD) is an autosomal recessively inherited copper storage disease due to mutations in the ATP7B gene. It results in impaired biliary copper excretion followed by liver injury leading to cirrhosis. In parallel, copper accumulates in other tissues e. g. basal ganglia of the brain inducing motoric disorders. Phenotypical cure of Wilson disease by liver transplantation raised the question whether gene therapy may represent a successful alternative treatment procedure. To examine the principle feasibility of this approach we investigated the effects of gene transfer using an adenoviral vector construct expressing the human ATP7B cDNA in an established rodent model for WD, the Long-Evans Cinnemon rat (LEC).

Methods: Transduction efficiency was assessed by RT-PCR, Western blot and immunofluorescence analysis. The therapeutic effect was estimated by analyzing holoceruloplasmin and its ferroxidase activity in serum, and the copper content of excrements. Changes in copper homeostasis were determined by positron emission tomography (PET).

Results: Successful, but temporary gene transfer was clearly detectable on RNA and protein levels. In parallel the temporary therapeutic effect was documented by restoration of serum holoceruloplasmin and of its ferroxidase activity. Additionally the Ad-ATP7B treated LEC rat revealed a higher ⁶⁴Cu content in stool. PET was able to visualize differences in ⁶⁴Cu distribution between wild type and LEC rats, indicating its principle usefulness as analytical tool.

Conclusion: The data demonstrate proof of principle of successful gene therapy in an experimental model of WD. As a consequence of successful but only transient therapeutic effect of adenoviral gene transfer we can now focus more efficient and permanent gene transfer strategies.

Zusammenfassung

Hintergrund und Ziel: Der autosomal-rezessiv vererbte Morbus Wilson (WD) ist eine Kupferspeichererkrankung aufgrund von Mutationen im ATP7B-Gen. Er ist gekennzeichnet durch eine verminderte biliäre Kupferausscheidung mit nachfolgender Leberschädigung bis hin zur Zirrhose sowie einer Akkumulation von Kupfer auch in anderen Geweben. Aufgrund der Tatsache, dass der Morbus Wilson durch eine Lebertransplantation phänotypisch heilbar ist, stellte sich die Frage, ob eine Gentherapie eine alternative Behandlungsstrategie darstellen könnte. Zur Prüfung der prinzipiellen Möglichkeit dieses Ansatzes untersuchten wir die Wirksamkeit des adenoviralen Transfers des Morbus-Wilson-Gens in der Long-Evans-Cinnamon-Ratte (LEC), einem etablierten Morbus-Wilson-Tiermodell.

Methoden: Die Transduktionseffizienz wurde mit RT-PCR, Western blot und Immunfluoreszenz geprüft. Der therapeutische Effekt wurde mittels Ferrooxidaseaktivitätsassay und Holocoeruloplasmin-Messungen im Serum sowie Messung der biliären/intestinalen und renalen Kupferausscheidung analysiert. Mittels Positronenemmisionstomographie wurde der Einfluss auf die Kupferhomöostase untersucht.

Ergebnisse: Der erfolgreiche, jedoch nur vorrübergehende adenovirale Transfer des ATP7B-Gens war auf RNA- und Proteinebene deutlich erkennbar. Parallel hierzu zeigte sich der funktionelle Erfolg in der vorrübergehenden Wiederherstellung des Holocoeruloplasmins und seiner Ferrooxidaseaktivität im Serum sowie in der gesteigerten, biliären Kupferausscheidung.

Schlussfolgerung: Die Daten verdeutlichen die prinzipielle Anwendbarkeit der Gentherapie bei Morbus Wilson. Aufgrund des nur vorrübergehenden Therapieerfolgs des adenoviralen Gentransfers sind nun gentherapeutische Strategien mit höherer Transduktionseffizienz und längerandauerndem Therapieerfolg zu entwickeln.

Wilson Disease - Gene Therapy - Adenoviral Vector - LEC-Rat - PET

Morbus Wilson - Gentherapie - Adenoviraler Vektor - LEC-Ratte - PET

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