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Technologies pour la thérapie de la surdité

YANN NGUYEN ET SAAID SAFIEDDINE

TECHNOLOGIES ET THÉRAPIE GÉNIQUE POUR LA SURDITÉ

Grâce aux avancées réalisés au cours des vingt dernières années en génomique humaine, des progrès importants ont été accomplis dans la compréhension de la pathogenèse de diverses formes de surdité congénitale ou acquise. L’identification des gènes de la surdité, qui sont des cibles thérapeutiques potentielles, ainsi que la génération et la caractérisation fonctionnelle de modèles murins de formes de surdité humaine ont fait progresser les connaissances sur la physiologie moléculaire des cellules sensorielles auditives. Cela a permis d’ouvrir la voie au développement de nouvelles stratégies thérapeutiques. Au cours des dix dernières années, les efforts de notre équipe se sont concentrés sur le développement de la thérapie génique pour les anomalies de l’oreille interne. L’objectif est d’accélérer la valorisation des nombreuses découvertes de notre laboratoire durant les 20 dernières années, en application concrète au bénéfice des patient atteints. Ainsi la recherche menée par notre équipe est principalement translationnelle et en grande partie consacrée à la mise au point de thérapie génique sûre et efficace pour les surdités héréditaires ou acquises délivrée par un système robotisé.

Conscient des défis d’un tel objectif, nous avons construit une équipe multidisciplinaire qui sera une source d’enrichissement mutuel unique composée d’étudiants, ingénieurs, chercheurs et chirurgiens ORL.  Les deux axes principaux de recherche sont : 

I. Groupe thérapie génique :

(Responsable S. Safieddine)

Générer des vecteur viraux recombinants thérapeutiques pour cibler différentes formes de surdité génétique, évaluer leur efficacité, leur spécificité et leur innocuité.

Thérapie génique virale de la surdité :

Nous menons actuellement un projet de thérapie génique de l'oreille interne dans des conditions permettant le premier essai clinique européen pour les patients atteints de DFNB9 et continuons à déployer des efforts pour identifier de nouveaux vecteurs pour cibler efficacement et spécifiquement les différents types cellulaires de l’oreille interne.  Ce projet a 6 objectifs :

1. Etude du tropisme de capside d’AAV dans la cochlée de primate non humain

Une première étape requise pour une application des résultats obtenus dans le modèle murin de DFNB9 chez les patients, consiste à démontrer que l’approche du double AAV est efficace chez les primates non humains. A cette fin, notre équipe étudiera le tropisme cellulaire de la capside de l’AAV2 dans la cochlée du macaque, en utilisant la GFP comme gène rapporteur. Cela permettra à la fois d’optimiser l’approche chirurgicale et d’évaluer par immunomarquage la distribution cellulaire de la GFP dans l’épithélium sensoriel cochléaire du macaque résultante de l’infection virale.

2 Conception d'un promoteur optimal de l’otoferline humaine afin obtenir une expression spatiotemporelle optimale et exclusivement dans les cellules ciliées internes

La région flanquante en 5 'du gène de l’otoferline a été analysée in silico pour identifier les éléments régulateurs permettant de contrôler l'expression du gène OTOF humain. La séquence génomique en amont du site d'initiation de la transcription (5 kb) a été analysée pour la conservation évolutive, et des séquences hautement conservées ont été utilisées pour identifier les éléments régulateurs clés impliqués dans le contrôle de l'expression de l'otoferline.

3. Évaluation et optimisation de l'activité du promoteur de l'otoferline humaine

L’équipe évalue actuellement des séquences candidates identifiées comme mentionné ci-dessus, à la fois en culture cellulaire et in vivo. La séquence nucléotidique codant pour la GFP a été clonée dans le génome viral AAV2 en aval des deux séquences candidates sélectionnées et empaquetées dans la capside AAV8. L’infectiosité des préparations virales a été d’abord vérifiée in vitro dans les cellules Hek et in vivo chez la souris. Les préparations virales seront ensuite injectées à travers la membrane de la fenêtre ronde chez le macaque. L'épithélium sensoriel de la cochlée de macaques injectés sera immuno-marqué afin d'apprécier l'expression de la GFP après l'administration virale.

 4. Conception et évaluation du vecteur recombinant thérapeutique pour les essais précliniques

La configuration promoteur/capside la plus spécifique et la plus efficace sera utilisée. Étant donné que la longueur de la séquence d'ADNc de lotoferline (6 kb) dépasse la capacité d'empaquetage de l'AAV (5 kb), la stratégie à deux vecteurs de l'AAV sera adoptée.

5. Génération de virus spécifiques pour cibler les diffèrent types cellulaires l’oreille interne

La fonction de l'oreille interne implique une action coordonnée des cellules ciliées sensorielles, des cellules de soutien, des neurones auditifs et de la strie vasculaire. Des défauts génétiques dans l’un de ces types de cellules peuvent entraîner des défauts dans l’oreille interne. Des mutations dans le gène codant pour l’otoferline provoquent la surdité DFNB9, touchant uniquement les CCI, les mutations de la stéréociline n'affectent que les cellules ciliées externes (CCE) et conduisent au DFNB16, une forme de surdité progressive, tandis que les mutations de la connexine-26, responsables de la forme la plus courante de surdité récessive appelée DFNB1, affectent les cellules de soutien et la strie vasculaire, deux acteurs essentiels de l'homéostasie potassique de la cochlée. DFNB1 est en outre associé à de sévères défauts d'équilibre. Pour chacune de ces formes de surdité, cibler le type de cellules affectées sans effets secondaires nécessite des vecteurs AAV recombinants avec des tropismes spécifiquement optimisés et des éléments régulateurs qui contrôlent l'expression du gène thérapeutique. L'accomplissement de l'expression spécifique du gène thérapeutique au sein d'un type particulier de cellules de l'oreille interne constituera une étape déterminante vers les applications cliniques. Nous avons mis en œuvre une approche d'évolution dirigée in vivo précédemment utilisée dans la rétine (Dalkara et al., 2013) pour générer des AAV permettant une transduction améliorée des cellules de l'oreille interne par rapport aux AAV actuellement disponibles, dont l'efficacité de transduction est limitée.

 

II Groupe RobOtol : robot d’assistance à la chirurgie otologique

(Responsables : Y.Nguyen ; S.Mazalaigue)

Le système RobOtol est entré en phase clinique avec plus de cinquante patients déjà opérés depuis 2018. Le but du travail est d’optimiser chaque temps opératoire de la procédure chirurgicale robotisée de l’oreille moyenne et de l’oreille interne, permettant de simplifier la gestuelle chirurgicale, accroître sa sécurité et réduire le temps de l’intervention.

1.     Optimisation du système RobOtol

Des nouveaux instruments innovants, multifonctions et intelligents devront s’intégrer à l’environnement et contraintes du bloc opératoire. Afin d’apporter une assistance plus large aux chirurgiens, notre système intégrera de l’imagerie peropératoire et des outils de navigation. Notre travail sera de fusionner ces deux systèmes, robot et navigateur, permettant ainsi de définir le bloc opératoire otologique du futur. Le chirurgien de demain disposera d’un grand nombre d’informations (imagerie peropératoire, navigation, données électrophysiologiques en temps réel…), dont il faudra tenir compte pour une chirurgie sûre et efficace. La centralisation et la coordination des données ainsi que le regroupement de toutes ces informations dans une même zone visuelle seront notamment à travailler (par exemple : écran 3D ou 4k, projection rétienne ou sur lunette  ).

Perspectives et retombées potentielles

Compte tenu du caractère innovant et notre leadership sur la robotisation de la chirurgie de l’oreille moyenne, les perspectives en termes de publications, de dépôts de brevet et de recrutement de patients sont importantes. Environ 30 000 patients bénéficient d’une chirurgie de l’oreille moyenne chaque année en France. Le pourcentage de résultats considérés comme bons varient de 50 % pour les reconstructions totales de chaine ossiculaire à 90 % pour la chirurgie de l’otospongiose. Une meilleure maîtrise de la gestuelle chirurgicale apportée par des outils comme le RobOtol devrait diminuer les risques opératoires et améliorer les résultats fonctionnels.

2.    Vectorisation robotisée de thérapies géniques à l’oreille interne

Jusqu’à présent, l’administration de traitement validé sur des modèles de cultures cellulaires était limitée par la barrière hémato-périlymphatique et l’accès destructeur à l’organe de l’audition par les techniques actuelles. L’objectif clef sera de pouvoir aborder l’organe de l’audition de manière contrôlée et systématiquement atraumatique. Cela sera effectuée en 2 étapes : la première sera de robotiser l’implantation cochléaire et la seconde de mettre au point de systèmes d’administration de thérapies géniques à l’oreille interne.

2.1  Développement d’un système d’implantation cochléaire robotisé

(Responsables : Y.Nguyen, I.Mosnier)

Notre équipe a pu réaliser la première insertion robotisée d’un implant cochléaire au monde en Juillet 2019 en collaboration avec le service d’ORL de la Pitié-Salpêtrière, centre référent d’implantation cochléaire adulte de la région Ile-de-France. Environ 220 implants auditifs sont posés par an dans ce centre référent.

L’objectif à court terme est une convergence des projets de recherche avec le système RobOtol pour le coupler à un système de navigation afin de planifier l’accès à la cochlée et contrôler l’axe d’insertion. À moyen terme, le but est de doter le robot de capteurs supplémentaires tel que des systèmes de mesure en temps réel de l’audition au cours de l’intervention permettant de conserver les restes auditifs de patients implantés.

Financement et projets complémentaires au grant Fondation pour l’audition

Projet d’implant cochléaire actif ANR « Robocop » 2020-2024

Le projet « Polymère électroactif à actionnement linéaire s’inspirant du muscle humain pour une mise en place contrôlée et atraumatique des implants cochléaires » a pour but de modifier la technologie actuelle des portes électrodes afin de contrôler activement leur positionnement dans la cochlée. Ce projet a pour but d’utiliser des matériaux mimant les muscles humains pour guider la trajectoire en temps réel de l’insertion d’implants cochléaires dans la cochlée. Ceci permettra de contrôler ce système dynamique via l’utilisation d’une commande en boucle fermée et ainsi déformer l’implant au cours de sa progression pour affiner sa trajectoire et éviter les structures à risques telles que la membrane basilaire.

 

2.2  Développement d’un système d’administration de thérapies géniques à l’oreille interne

(Responsable : E.Ferrary, lien avec l’équipe de Saaid Safieddine et notamment G.Lahlou)

Le but de ce projet est d’associer les connaissances et savoir-faire de l’équipe de Saaid Safieddine et de la nôtre. Le traitement des surdités d’origine génétique ne pourra être possible que si un système d’administration complet, composé de vecteurs construits spécifiquement pour accomplir une expression génique dans un type cellulaire ciblée avec une approche chirurgicale mini-invasive robotisée préservant les structures de soutiens et les cellules sensorielles et nerveuses encore fonctionnelles. Le but ultime est de permettre la prise en charge de patients atteints de surdités génétiques pour potentialiser les résultats des réhabilitations actuelles (aides auditives, implants cochléaires) et un jour pouvoir réparer l’organe de l’audition de patient atteint de mutations portant sur des gènes identifiés de l’audition (ex : otoferline).

Perspectives et retombées potentielles

Si l’objectif de mise au point de systèmes d’administration atraumatique de médicament à l’oreille interne est atteint, une nouvelle voie d’abord de l’oreille interne sera obtenue. Elle ouvrira un large champs d’essais cliniques à moyen terme comportant les thérapies géniques développée dans l’IDA mais sera aussi un tremplin pour le transfert clinique de toutes les thérapies innovantes de l’oreille interne mise au point à l’IDA ou des équipes partenaires internationales. Ce transfert sera facilité par la collaboration étroite avec les ORL des CHU Pitié Salpêtrière et Necker au sein des CERCA adulte et pédiatrique.

  

 

MEMBRES DE L'ÉQUIPE

Saaid SAFIEDDINE

Saaid SAFIEDDINE

Responsable
Béatrix GILLET-LEGRAND

Béatrix GILLET-LEGRAND

Postdoc
Marie GIORGI

Marie GIORGI

Postdoc
Chloé FELGEROLLE

Chloé FELGEROLLE

Postdoc
Ghizlene LAHLOU

Ghizlene LAHLOU

MD.Ph.D
Danica CIRIC

Danica CIRIC

Ingénieure
Sepideh IRANFAR

Sepideh IRANFAR

Ph. D student
Maxence CORNILLE

Maxence CORNILLE

Postdoc
Baptiste PLION

Baptiste PLION

Ingénieur
Jérôme NEVOUX

Jérôme NEVOUX

MD.Ph.D
Marie-José LECOMTE

Marie-José LECOMTE

Lab Manager

PROJETS

Développement et physiologie moléculaire du cortex auditif en conditions normales et pathologiques

Dans la plupart des cas de surdité humaine d’origine génétique, l’atteinte de l’organe sensoriel de l’audition, la cochlée, rend pleinement compte du déficit auditif des patients. La pose d’un implant cochléaire stimulant directement le nerf auditif et permettant ainsi de s’affranchir de l’étape du traitement du son par la cochlée, restaure une audition satisfaisante dans la plupart des cas. Pourtant, dans certains cas, les patients conservent des difficultés anormales de compréhension du langage parlé. Les chercheurs de cette équipe ont récemment découvert que certaines formes héréditaires de surdité entraînent non seulement des atteintes de la cochlée, mais également du cortex auditif, région du cerveau assurant l’analyse de l’information auditive. En effet, deux protéines apparentées aux cadhérines, cdhr15 et cdhr23, essentielles au bon fonctionnement de la cochlée, sont également nécessaires pour la migration et la maturation de neurones du cerveau dits « inhibiteurs », et colonisant spécifiquement le cortex auditif. Ce projet vise à déchiffrer les mécanismes qui sous-tendent le développement et le fonctionnement de cette population de neurones inhibiteurs du cortex auditif. Le premier objectif sera de déterminer les mécanismes permettant l’expression de ces cadhérines à la fois dans la cochlée et dans le cerveau afin d’identifier quels autres gènes responsables de surdité cochléaire auraient également un rôle intrinsèque dans le cerveau. Puis, les chercheurs tenteront de déchiffrer les mécanismes par lesquels ces cadhérines sont impliquées dans le guidage des futurs neurones inhibiteurs spécifiquement vers le cortex auditif. Enfin, ils caractériseront les rôles de ces neurones inhibiteurs dans le traitement de l’information sonore. Les résultats de ce projet poseront les bases de l’exploration de possibles dysfonctionnements du cerveau auditif chez les patients porteurs de mutations dans les gènes codant pour ces deux cadhérines et permettront la mise au point de méthodes de réhabilitation auditive innovantes adaptées à ces atteintes du cortex auditif.

 

PUBLICATIONS DES MEMBRES DE L'ÉQUIPE

  • Delmaghani S, Defourny J, Aghaie A, Beurg M, Dulon D, Thelen N, Perfettini I, Zelles T, Aller M, Meyer A, Emptoz A, Giraudet F, Leibovici M, Dartevelle S, Soubigou G, Thiry M, Vizi Es, Safieddine S, Hardelin Jp, Avan P, Petit C. (2015) Hypervulnerability to Sound Exposure through Impaired Adaptive Proliferation of Peroxisomes. Cell. 163(4):894-906
  • Emptoz A, Michel V, Lelli A, Akil O, Boutet de Monvel J, Lahlou G, Dupont T, Nouaille S, Ey E, Dulon D, Lustig L, Avan P, Petit C, Safieddine S#, (2017) Gene Therapy Restores Auditory and Vestibular Functions in a Mouse Model of Usher Syndrome. Proc. Nat. Acad. Sci. 114(36): 9695-9700
  • Michalski N, Goutman, Sarah M. Auclair, Boutet De Monvel J, Tertrais M, Emptoz A1, Parrin A, Nouaille S, Sachse M, Bahloul A, Sutton R, Avan P, Krishnakumar S, Rothman J, Dulon D, Safieddine S#*, Petit C* (2017) Otoferlin Functions as a Ca2+ Sensor For Vesicle Fusion And Replenishment At The Auditory Hair Cell Ribbon Synapse, Elife 10.7554/eLife.31013
  • Dulon, D. Papal S., Patni P., Cortese M., Vincent P.F., Tertrais M., Emptoz A., Tlili A., Bouleau Y., Michel V., Delmaghani S., Aghaie A., Pepermans E., Alegria-Prevot O., Akil O., Lustig L., Avan P., Safieddine S., Petit C., El-Amraoui A. (2018).  Clarin-1 gene transfer rescues auditory synaptopathy in model of Usher syndrome, J Clin Invest, 128 3382-3401
  • Corns, L.F., Johnson, S.L., Roberts, T., Ranatunga, K.M., Hendry, A., Ceriani, F., Safieddine, S., Steel, K.P., Forge, A., Petit, C., et al (2018). Mechanotransduction is required for establishing and maintaining mature inner hair cells and regulating efferent innervation. Nat Commun 9, 4015
  • Charlotte A, Ghizlene L, Safieddine S Gene therapy, a hope for Usher syndrome (2018). Med Sci 34 (10):842-848
  • Johnson S.L., Safieddine S., Mustapha M., Marcotti W. (2019), Hair Cell Afferent Synapses: Function and Dysfunction, Cold Spring Harb Perspect Med, DOI 10.1101/cshperspect.a033175
  • Akil O, Dyka F., Calvet C., Emptoz A., Lahlou G., Nouaille S., Boutet de Monvel J., Hardelin J.P., Hauswirth W.W., Avan P., Petit C., Safieddine S#*., Lustig L.R, (2019) Dual AAV-mediated gene therapy restores hearing in a DFNB9 mouse model, Proc Natl Acad Sci U S A, DOI 10.1073/pnas.1817537116
  • Tertrais M., Bouleau Y., Emptoz A., Belleudy S, Sutton S., Petit c., Safieddine S*., Dulon D *# (2019) Viral Transfer Of Mini-Otoferlins  Partially Restores the Fast Component of Exocytosis  and Uncovers Ultrafast Endocytosis in Auditory Hair Cells of Otoferlin Knock-Out Mice. J Neurosci https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1550-18.2018
  • Schilder, A.G.M., Su, M.P., Blackshaw, H., Lustig, L., Staecker, H., Lenarz, T., Safieddine, S., Gomes-Santos, C.S., Holme, R., and Warnecke, A. (2019). Hearing Protection, Restoration, and Regeneration: An Overview of Emerging Therapeutics for Inner Ear and Central Hearing Disorders. Otol Neurotol