Cochlear Gene Therapy : Viral Vectors, Gene Transfer, and Treatment Strategies for Usher Syndrome

Hearing loss is the most common sensory deficit in humans. Genetic defects play a major part among patients with sensorineural hearing loss. Usher syndrome (USH) is an autosomal recessive disorder defined by bilateral sensorineural hearing loss and a visual impairment phenotypically similar to retinitis pigmentosa (RP). USH is divided into three main clinical types (USH1, USH2 and USH3), based on the severity and progression of the hearing impairment, the presence or absence of vestibular dysfunction, and the age of onset of RP. The most common form of Usher syndrome in Finland is USH3, which comprises 40% of all USH cases. USH3 is caused by mutations in the clarin 1 (CLRN1) gene. To date, treatment methods for sensorineural hearing loss are limited to rehabilitation with traditional hearing aids or cochlear implantation. An ideal cure would be targeted, long-term or permanent, and should cause as little damage as possible to the inner ear structure. Our studies focused on cochlear gene therapy and Usher syndrome type 3 (USH3). Finnish USH3 patients answered three questionnaires which evaluated their quality of life after cochlear implantation. We also collected data of these patients audiological tests and speech discrimination tests from their patient records. We developed an in vitro model suitable for cochlear gene transfer studies from a detached mouse round window membrane (RWM) and also tested the suitability of adeno-associated virus vectors and lentivirus vectors for cochlear gene therapy applications in cell lines and in the mouse cochlea. Cochlear implantation is beneficial for USH3 patients and improves their quality of life. The detached mouse RWM model is suitable for inner ear gene transfer studies in vitro. Manipulation of the RWM with AgNO3, trichloracetic acid or histamine-glycerol did not increase the permeability of the membrane. Lentivirus vectors are safe and can be used in gene transfer into the perilymph. Silencing of p53 protein may decrease apoptosis in the kanamycin-damaged mouse cochlea. AAV-delivered clarin-1 ribozyme may induce apoptosis in cochlear hair cells and cells of the stria vascularis. Apoptosis could explain the progressive nature of USH3.Sensorineuraalinen eli sisäkorvan tai kuulohermoratojen vaurioihin perustuva kuulovika on ihmisen yleisin aistinvaje. Suurin osa sensorineuraalisista kuulovioista johtuu perinnöllisistä tekijöistä. Usherin syndrooma on autosomaalisesti, peittyvästi periytyvä sairaus, jota kuvaavat asteittain etenevä sensorineuraalinen kuulovika sekä verkkokalvonrappeuma, joka johtaa lopulta sokeuteen. Joillakin potilailla esiintyy tasapainoelimen vaurioita. Perinteisesti Usherin syndrooma jaetaan kolmeen alaluokkaan: USH1, USH2 ja USH3. USH3 on syndrooman yleisin muoto Suomessa, se kattaa 40% tapauksista. USH 3 aiheutuu geenivirheestä clarin 1 (CLRN1) geenissä. Sensorineuraalisia kuulovikoja ei pystytä täysin hoitamaan tai parantamaan. Ainoita hoitokeinoja ovat erityyppiset kuulokojeet tai kirurgisesti asetettava sisäkorvaistute. Sisäkorvan geeniterapiatutkimusten tavoitteena on löytää tehokas ja turvallinen menetelmä, jonka avulla voidaan palauttaa heikentynyttä kuuloa tai jopa parantaa synnynnäistä kuuroutta. Tutkimukset keskittyvät sisäkorvan geeniterapiaan ja Usherin syndroomaan (USH3). Suomalaisien USH3 potilaitten elämänlaatua sisäkorvaistutteen asettamisen jälkeen arvioitiin kyselylomakkeilla, ja heidän kuulotutkimus- ja puheen erotuskykytestien tuloksia ennen implantointia ja sen jälkeen vertailtiin. Kehitimme sisäkorvan geeniterapiatutkimuksiin soveltuvan hiiren pyöreän ikkunan kalvo in vitro mallin, sekä testasimme AAV- ja lentivirusvektoreiden soveltuvuutta sisäkorvan geeniterapiasovelluksiin. Tutkimuksessa selvisi, että USH3 potilaat kokevat sisäkorvaistutteen hyödylliseksi ja sen koetaan parantavan elämänlaatua. Kehittämämme hiiren in vitro malli soveltuu sisäkorvan geeninsiirtotutkimuksiin. Pyöreän ikkunan kalvon käsittely ei parantanut sen läpäisevyyttä. Tutkimamme lentivirusvektorit todettiin vastaanottajalle vaarattomiksi. Vektoreilla voidaan kuljettaa terapeuttisia aineita sisäkorvaan. Tutkimuksissa AAV-shRNA komplekseilla havaitsimme, että p53-shRNA kompleksit suojaavat kuuloepiteelin soluja ohjatulta solukuolemalta kemiallisen trauman jälkeen. Tutkimme myös AAV-välitteisesti kuljetetun anti-klariini ribotsyymin vaikutuksia. Anti-klariini ribotsyymi kompleksin todettiin aiheuttavan ohjattua solukuolemaa sisäkorvan Cortin elimessä, mikä saattaa osaltaan selittää USH3 etenevän taudinkuvan