Les vecteurs rétroviraux dérivés du virus Moloney de la leucémie murine (MoMLV) ont été utilisés pour livrer des gènes depuis plus de 20 ans et ils continuent d’être le meilleur outil disponible pour transférer de façon stable et efficace des gènes thérapeutiques dans différents types de cellules. Bien que la plupart des études précliniques de thérapie génique utilisent des surnageants bruts ou concentrés de vecteurs rétroviraux, l’étape de purification, pour éliminer le sérum et les impuretés dérivées des cellules hôtes contenus dans ces préparations, est incontournable pour les applications cliniques. Cette thèse décrit le développement de stratégies de purification des vecteurs rétroviraux. Au cours de ce projet, deux procédés complets de purification (à partir d’un surnageant brut de rétrovirus jusqu’au virus de grade clinique) ont été établis, vérifiés, et leurs performances ont été analysées en détail. La filtration sur membrane a contribuée à la clarification, la concentration, à l’échange de tampon et à la purification partielle des particules retrovirales à partir de surnageants à l’état brut sans aucune perte significative d’infectivité virale. Deux nouvelles méthodes de purification, spécifiquement adaptées aux caractéristiques biochimiques et physiques des particules rétrovirales, ont été développées. La première méthode de purification des particules rétrovirales, utilise la chromatographie d’affinité sur colonne d'héparine suivie d’un tamis moléculaire. L’avantage principal d’utiliser les techniques de chromatographie pour la purification des virus, est d’offrir la possibilité de purifier à grande échelle les rétrovirus de façon sélective et efficace. De plus, la chromatographie d’affinité sur colonne d'héparine a donné lieu à des taux de récupération exceptionnels de particules infectieuses et s’est avérée utile pour la purification des vecteurs rétroviraux produits par différentes lignées cellulaires indépendamment de l’enveloppe protéique utilisée pour le pseudo-typage. La deuxième méthode de purification est basée sur la technique de centrifugation zonale transitoire utilisant l’iodixanol comme milieu pour former un gradient. La force de cette technique repose sur les hauts niveaux de pureté obtenus en une seule étape de purification et la capacité à séparer les particules virales des espèces proches telles que les vecteurs défectueux et / ou les vésicules membranaires, qui posent un sérieux défi dans les procédés de purification. Les récupérations finales en particules infectieuses (~38%) et le degré de pureté atteint (plus de 95%) étaient comparables avec l’une ou l’autre des stratégies de purification utilisées. Les méthodes décrites dans cette thèse représentent une amélioration significative sur la méthodologie conventionnelle utilisant un gradient de densité de sucrose pour la purification des rétrovirus et contribuera certainement à l’avancement technologique dans le domaine de la thérapie génique. / Retroviral vectors derived from the Moloney murine leukemia virus (MoMLV) have been used as gene delivery vehicles for more than two decades and continue to be the best available tool for stable and efficient transfer of therapeutic genes into various cell types. Although most gene therapy preclinical studies use crude or concentrated retroviral vector supernatants, purification to eliminate serum and host-derived impurities contained in these stocks is a must for clinical applications. This thesis describes the development of downstream processing strategies for retroviral vectors. During the course of this project, two complete multi-step purification schemes (from crude retrovirus supernatant to clinical-grade virus) were designed, tested and their performance analyzed in detail. Membrane filtration contributed to the clarification, concentration, buffer exchange and partial purification of retroviral particles from crude supernatants with essentially no loss in vector infectivity. Two novel purification methods specifically tailored to the biochemical and physical features of retroviral particles were developed. The first method consists of the chromatographic purification of retroviral particles by heparin affinity chromatography followed by size exclusion chromatography. The main advantage of employing chromatography technology for virus purification is that it offers the possibility to selectively and efficiently purify retroviruses on a large-scale. Moreover, heparin affinity chromatography resulted in exceptional recoveries of infective particles and proved to be useful for the purification of retroviral vectors produced by different packaging cell lines independently of the Env-protein used for pseudotyping. The second purification method is based on a rate zonal centrifugation technique using iodixanol as gradient medium. The power of this technique was revealed by the high levels of purity achieved in a single purification step and its potential to separate viral particles from closely-related species such as defective vector forms and/or cell membrane vesicles, all of which pose a serious challenge in downstream processing. The overall yield of infective particles (~38%) and level of purity achieved (over 95%) using either purification strategy was comparable. The methods described in this thesis represent a significant improvement over the conventional sucrose density gradient methodology used for retrovirus purification and will hopefully contribute to the technological progress in the field of gene therapy.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le potentiel de la thérapie génique pour le traitement de maladies a engendré beaucoup d'espoirs et d'importants efforts ont été réalisés dans ce domaine de recherche. A l'heure actuelle, les vecteurs viraux sont les plus efficaces pour transférer des gènes thérapeutiques dans les cellules humaines. Alors que différents vecteurs viraux sont en développement, les vecteurs rétroviraux dérivés du virus de la leucémie murine de Moloney (MLV) sont actuellement parmi les vecteurs les plus utilisés dans les essais cliniques. Le premier objectif de ce projet était d'étudier l'efficacité d'un nouveau vecteur d'encapsidation dérivé d'un autre retrovirus, le virus RDI 14. Nous avons démontré pour la première fois que des titres élevés pouvaient être obtenus avec des particules rétrovirales RDI 14. Ces vecteurs ont été aussi efficaces que les vecteurs MLV pour transduire des lymphocytes primaires et des cellules souches humaines CD34+. Par conséquent, les vecteurs rétroviraux dérivés du virus RDI 14 sont efficaces pour le transfert de gènes et peuvent être une alternative aux vecteurs MLV. La production de vecteurs rétroviraux pour des applications cliniques est difficile, dispendieuse et peu sécuritaire, car les lignées cellulaires qui les produisent poussent de façon adhérentes et en présence de sérum bovin. Le second objectif était de générer des nouvelles lignées d'encapsidation capables de répondre à ces limitations. Dans cette étude, nous rapportons la construction des premières lignées d'encapsidation produisant des vecteurs rétroviraux en suspension et en milieu sans sérum (MSS). Des cellules 293HEK ont été dans un premier temps modifiées pour exprimer des niveaux élevés de protéines gag-pol. Les gènes codant pour les protéines d'enveloppes Ampho, GALV et RDI 14 ont été par la suite utilisés pour générer trois lignées d'encapsidations différentes (293GP-A2, 293GP-GLV9 et 293GP-RD30). Les titres obtenus avec les clones 293GP-A2, 293GP-GLV9 et 293GP-RD30 en suspension et en MSS étaient respectivement de 4 x IO7, IO6 et 5 x IO6 particules virales infectieuses par ml (PVI/mL). La caractérisation des ces lignées a été réalisée par l'étude des dynamiques de croissance cellulaire, de la stabilité de production, de la stabilité des particules virales et de la capacité de transduction. Les résultats ont montré que les lignées 293GP-A2, 293GP-GLV9 et 293GP-RD30 ont un bon potentiel pour la production à grande échelle de vecteurs rétroviraux. Ces lignées d'encapsidations devraient améliorer l'efficacité des protocoles cliniques de thérapie génique de dernière phase qui font appel à un nombre élevé de patients.

L’épidermolyse bulleuse dystrophique récessive est une maladie génétique rare causée par des mutations dans COL7A1 codant pour le collagène de type VII. Cette protéine est produite par les kératinocytes de l’épiderme et les fibroblastes du derme et permet la formation des fibrilles d’ancrages dont le rôle est l’adhésion de l’épiderme au derme sous-jacent. Les patients atteints de l'EBDR souffrent de décollements de la peau et des muqueuses et aucun traitement ne permet de guérir cette maladie. Le but de ce projet est de construire un vecteur viral sécuritaire contenant l'ADNc de COL7A1 et de générer un clone de cellules productrices de virus à haut titre permettant de transduire assez de kératinocytes souches pour produire des peaux reconstruites et traiter les patients atteints de l'EBDR. Divers vecteurs rétroviraux "self-inactivated" exprimant l'ADNc de gfp ou de COL7A1 ont été générés. Les vecteurs GFP ont permis de déterminer que le remplacement de la région U3 du LTR 5' par l'enhancer et le promoteur du CMV, l'ajout de la séquence WPRE en 3' UTR du transgène, l'insertion de la séquence de polyadénylation du SV40 dans la région R du LTR 3' et l'ajout de la séquence de polyadénylation de bGH en aval du LTR 3', génèrent les titres viraux les plus élevés. L'ADNc de COL7A1 a été introduit dans un rétrovirus SIN optimisé puis transfecté dans une lignée d’encapsidation exprimant l’enveloppe Amphotropique 4070A. Un clone de cellules productrices produisant 9,8 x 105 particules virales par mL a été isolé. Le virus produit par ce clone est capable de transduire les kératinocytes et fibroblastes de patients atteints de l'EBDR à un taux de transduction de 37 % et 24 % respectivement. En somme, un clone de cellules productrices d’un vecteur rétroviral sécuritaire portant COL7A1 a été généré et a le potentiel d’être utilisé pour la thérapie génique de l’EBDR. / Recessive dystrophic epidermolysis bullosa is a rare genetic disorder caused by mutations in COL7A1 encoding type VII collagen. This protein is produced by the epidermal keratinocytes and dermal fibroblasts and allows the formation of anchor fibrils whose role is the adhesion of the epidermis to the underlying dermis. Patients with EBDR suffer from skin and mucosal detachments and no treatment can cure this disease. The goal of this project is to construct a safe viral vector containing COL7A1 cDNA and to generate a high-titer virus-producing cell clone in order to transduce enough keratinocytes stem cells to produce reconstructed skins to treat patients with EBDR. Various self-inactivated retroviral vectors expressing gfp or COL7A1 cDNA have been generated. The GFP vectors allowed us to determine that the replacement of the U3 region of the 5' LTR by the CMV enhancer and promoter, the addition of the WPRE sequence to the 3 'UTR of the transgene, the insertion of the SV40 polyadenylation sequence into the R region of 3' LTR and the addition of the polyadenylation sequence of the bGH downstream of the 3' LTR generate the highest viral titers. COL7A1 cDNA was introduced into an optimized SIN retrovirus and transfected into a packaging cell line expressing the Amphotropic envelope 4070A. A clone of packaging cells producing 9.8 x 105 viral particles per mL was isolated. The virus produced by this clone is capable of transducing the keratinocytes and fibroblasts of patients with EBDR at a transduction rate of 37 % and 20 % respectively. In sum, a clone of cells producing a safe COL7A1 retroviral vector has been generated and has the potential of being used for gene therapy of EBDR.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Le virus de l'immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1), l'agent étiologique du syndrome d'immunodéficience acquise (SIDA), code pour deux protéines de régulation, Tat et Rev, et quatre protéines accessoires, Vif, Vpr, Vpu et Nef. La protéine Vpu du VIH-1 augmente le relâchement des particules virales à partir de la surface des cellules infectées. De plus, Vpu augmente la production virale d'autres rétrovirus tels que MoMuLV et VISNA. Actuellement, la majorité des transferts de gènes sont effectués à l'aide de vecteurs rétroviraux dérivés de MoMuLV. Un des problèmes majeur limitant l'utilisation des vecteurs rétroviraux en thérapie génique est la faible production des virus recombinants. La première partie de cette étude indique que Vpu augmente la production virale des lignées d'encapsidation rétrovirales. En effet, Vpu induit une augmentation de la production virale de 40 et 13 fois pour les lignées d'encapsidation Damp et ivCRIP respectivement. Cette observation suggère que Vpu pourrait jouer un rôle important dans la génération de nouvelles lignées d'encapsidation en augmentant la production des vecteurs rétroviraux et donc l'efficacité du transfert de gènes. La protéine Vpr possède plusieurs fonctions qui contribuent à la réplication du VIH-1 in vitro et in vivo. L'une des fonctions importante de Vpr pour la réplication optimale du VIH-1 est l'induction d'un arrêt en G2 du cycle cellulaire qui favorise la production des protéines virales. Cette fonction précoce nécessite la présence de Vpr dans la particule virale. En effet, Vpr est incorporé en grande quantité dans les virions probablement via une interaction directe avec le domaine p6 de Gag. Cette caractéristique de Vpr permet de cibler des séquences d'acides aminés exogène à l'intérieur du VIH-1 sous forme de protéines de fusion. Une des application envisageable en thérapie génique serait de cibler des séquences protéiques en fusion avec Vpr capables d'interférer avec la réplication du virus. La deuxième partie de ce travail identifie les régions de Vpr comprenant les acides aminés 1 à 88 et 15 à 88 comme responsables de l'incorporation maximale de Vpr en fusion avec la chloramphénicol acétyle transférase (CAT). Les 88 premiers acides aminés de Vpr ont aussi été fusionnés aux 18 derniers acides aminés de Vpu pour générer la protéine de fusion VprIE. Lorsque produite constitutivement par des lymphocytes T CD4+ en culture de cellules, VprIE interfère efficacement avec la réplication du VIH-1. En effet, VprIE démontre un effet protecteur comparable à celui de la protéine anti-VIH-1 RevM10 actuellement en essais cliniques. Enfin, VprIE n'a pas permis l'apparition de souche résistante du VIH-1 capable de se répliquer en présence de la protéine de fusion. Ces résultats établissent les bases nécessaires à la génération de nouvelles protéines de fusion pouvant interférer plus efficacement avec la réplication du VIH-1. De plus, l'ensemble de ce travail indique qu'il est possible d'utiliser les fonctions des protéines Vpu et Vpr du VIH-1 pour des applications en thérapie génique.

Aujourd'hui, la production de protéines thérapeutiques est effectuée principalement à partir de lignées de cellules d'ovaires de hamster chinois CHO. Ces cellules, contrairement aux systèmes bactériens et certains systèmes eucaryotes, sont capables d'effectuer toutes les modifications post traductionnelles nécessaires à la fonctionnalité de la protéine. Avec plusieurs centaines de protéines actuellement en essais précliniques, il est nécessaire de développer des méthodes de production de glycoprotéines efficaces et rapides dans les cellules CHO. Au cours de cette thèse deux nouveaux systèmes d'expression performants de protéines recombinantes dans les cellules CHO sont présentés. Ces systèmes reposent sur l'utilisation d'un virus épisomal (adenovirals) ou intégratif (lentivirus) comme vecteur de transfert et du système inductible au cumate pour le contrôle de l'expression des transgènes. Dans ce système inductible, la transcription débute lorsque le transactivateur au cumate (cTA) ou le transactivateur inverse au cumate (rcTA) se lie sur le promoteur inductible au cumate CR5. En présence de cumate, la liaison du cTA sur le promoteur CR5 est inhibée empêchant la transcription contrairement au rcTA dont la liaison avec le promoteur CR5 est possible seulement en présence de cumate. La première méthode consiste à infecter des cellules CHO exprimant le cTA (CHO-cTA) et le récepteur du coxackievirus et de 1'adenovirus (CAR) par un adenovirus de type 5 exprimant le transgène de la protéine d'intérêt dans ce cas-ci celui de l'alcaline phosphatase sécrétée (SEAP) sous le contrôle du promoteur CR5. Cette technique permet de produire à 30°C six jours suivant l'infection jusqu'à 63 ug/mL de SEAP dans des conditions de culture non optimisées. Des lentivirus ont également été utilisés pour l'expression stable de différents transgènes dans les cellules CHO exprimant le cTA ou le rcTA. Des lots de clones CHO ont été générés produisant à 30°C jusqu'à 65 ug/mL de SEAP dans les cellules CHO-cTA et 235 ug/mL d'une protéine de fusion CD200Fc, 160 ug/mL d'anticorps chimérique chB43 et 206 ug/mL d'érytliropoïétine EPO dans les cellules CHO-rcTA, sous des conditions de culture non optimisées. Ces résultats démontrent que l'utilisation de virus couplé à un système de contrôle performant de l'expression de transgènes permet de produire rapidement et en quantité importante une gamme variée de protéines thérapeutiques dans les cellules CHO.