Pre-clinical trials for Machado-Joseph Disease: Hypothesis-based and hypothesis-free therapeutic approaches

Abstract

Polyglutamine (PolyQ) diseases are a family of neurodegenerative disorders characterized by the expansion of a CAG trinucleotide repeat in specific genes. This leads to the production of pathogenic proteins containing critically expanded tracts of glutamines. Although polyQ diseases are rare disorders, this group includes nine progressive, severe and fatal disorders, which in general begin in adulthood and progress over 10 to 30 years, normally implicating the full time patient care by a member of the family. Thus, the economic and social impact of these neurodegenerative diseases is quite significant. This has led several researchers worldwide to investigate the pathogenesis mechanism and therapeutic strategies for polyQ diseases. In this study, hypothesis-based and hypothesis-free approaches were used in order to study candidate therapeutic compounds for Machado-Joseph Disease (MJD) using the CMVMJD135 mouse model. Valproic acid (VPA) is an FDA-approved compound which showed therapeutic benefits in other neurodegenerative diseases, and also in C.elegans and Drosophila models of MJD, suggesting that it could be a promising compound for treatment of this disorder. Chronic pre-symptomatic VPA treatment (200mg/kg) led to mild improvements in balance and motor coordination in the CMVMJD135 mouse model, not changing the aggregation of mutant ataxin-3 (ATXN3) in affected brain regions. Although not a positive result, this pre-clinical trial still leaves an open window for other VPA dosages to be tested pre-clinically before exclusion of the compound’s therapeutic potential. In an unbiased screening of FDA/EMA-approved small molecules, citalopram was identified as a promising compound for suppression of neurological dysfunction and ATXN3 aggregation in C.elegans. Citalopram is an FDA-approved antidepressant, widely prescribed for clinical use, and therefore a good treatment opportunity. Chronic pre-symptomatic citalopram treatment at 8mg/kg led to significant balance and motor coordination improvement, rescued diminished body weight loss, suppressed ATXN3 nuclear inclusions in affected brain regions, reduced neuronal loss and astrogliosis in the CMVMJD135 mouse model. Chronic pre-symptomatic citalopram treatment with a higher dosage (13mg/kg) produced only mild effects at the behavior level and in ATXN3 aggregation phenotypes. This study also led to the characterization of new and relevant pathological features of the CMVMJD135 mouse model. Chronic citalopram post-symptomatic treatment (at an 8mg/kg dosage) in a group of CMVMJD135 mice presenting higher severity of disease led to an improvement of some the motor symptoms, albeit much less marked than for pre-symptomatic treatment. The mechanisms of action of citalopram in MJD were explored by expression analysis of candidate pathways but they remain to be clarified. In summary, this work suggests activation of serotonergic signaling as a relevant mechanism for protection against MJD pathogenesis, and suggests citalopram as a promising compound to be tested in human clinical trials in MJD.

As doenças de poliglutaminas (poliQ) são uma família de doenças neurodegenerativas caracterizadas pela expansão de uma repetição do trinucleótido CAG em genes específicos. Esta expansão leva à produção de proteínas patogénicas contendo sequências altamente expandidas de glutaminas. Embora as doenças poliQ sejam doenças raras, este grupo inclui nove doenças progressivas, graves e fatais, que em geral começam na idade adulta e progridem ao longo de 10 a 30 anos, normalmente implicando a assistência ao paciente em tempo integral por um membro da família. Assim, o impacto económico e social destas doenças neurodegenerativas é bastante significativo. Isto tem levado diversos investigadores por todo o mundo a investigar o mecanismo de patogénese e estratégias terapêuticas para doenças poliQ. Neste estudo, foram utilizadas abordagens independentes de hipótese e baseadas em hipótese no estudo de compostos terapêuticos candidatos para a DMJ, utilizando o modelo de ratinho CMVMJD135. O ácido valpróico (VPA) é um composto aprovado pela FDA, que mostrou benefícios terapêuticos noutras doenças neurodegenerativas, e também em modelos de C.elegans e Drosophila melanogaster da DMJ, sugerindo que pode ser um composto promissor para o tratamento desta doença. O tratamento crónico pré-sintomático com VPA (200mg/kg) levou a melhorias moderadas no equilíbrio e coordenação motora no modelo de ratinho CMVMJD135, não alterando a agregação da ataxina-3 (ATXN3) mutante em regiões afetadas do cérebro. Embora não seja um resultado muito positivo, este ensaio pré-clínico ainda deixa em aberto a possibilidade de outras dosagens de VPA serem testadas pré-clinicamente antes da exclusão do potencial terapêutico deste composto. Num rastreio não dirigido de pequenas moléculas aprovadas pela FDA/EMA, o citalopram foi identificado como um composto promissor para a supressão da disfunção neurológica e da agregação de ATXN3 em C. elegans. O citalopram é um antidepressivo aprovado pela FDA, amplamente prescrito para uso clínico e, portanto, um bom candidato para tratamento. O tratamento crónico pré-sintomático com citalopram na dose de 8 mg/kg levou a uma melhoria bastante significativa da coordenação motora, resgatou a diminuição de peso corporal, suprimiu as inclusões nucleares de ATXN3 em regiões cerebrais afetadas, reduziu a perda neuronal e a astrogliose no ratinho CMVMJD135. O tratamento crónico pré-sintomático com citalopram numa dose mais elevada (13 mg/kg) produziu apenas efeitos moderados ao nível do fenótipo de comportamento e na agregação da ATXN3. Este estudo também conduziu à caracterização de novas características patológicas relevantes do modelo de ratinho CMVMJD135. O tratamento crónico pós-sintomático com citalopram na dose de 8mg/kg num grupo de ratinhos CMVMJD135 que apresentavam maior gravidade da doença levou à melhoria de alguns dos sintomas motores, embora muito menos marcada do que para o tratamento pré-sintomático. Os mecanismos de ação do citalopram na DMJ foram também explorados através da análise da expressão de genes de vias candidatas, precisando ainda de serem mais amplamente esclarecidos. Em resumo, este trabalho sugere a activação da sinalização serotonérgica como um mecanismo importante para a protecção contra a patogénese da DMJ, e sugere o citalopram como um composto promissor para ser testado em ensaios clínicos em humanos.