Controlling transduction and replication of oncolytic adenoviruses

Abstract

Despite progress in conventional cancer treatment regimes, metastatic disease essentially remains incurable and new treatment alternatives are needed. Virotherapy is a relatively novel approach in cancer treatment. It harnesses the natural ability of oncolytic viruses to kill the cells they proliferate in and to spread to neighboring cells, thereby amplifying the therapeutic effect of the initial input dose. The use of replicating, oncolytic viruses for cancer treatment necessitates introduction of various genetic modifications to the viral genome, thereby restraining replication exclusively to tumor cells and eventually obtaining selective eradication of the tumor without side effects to healthy tissue. Furthermore, various modifications can be applied to the viral capsid in hope of gaining effective transduction of target tissue. In other words, the entry of viruses into tumor tissue can be augmented by allowing the virus to utilize non-native receptors for entry. Genetic capsid modifications may also help to avoid some major hurdles in systemic delivery that ultimately lead to the rapid clearance of the virus from the blood and virus induced toxicity.

In addition to genetic modifications that alter the phenotype of the virus, some pharmacologic agents may be utilized to enhance the virus entry to target site. Liver kupffer cells (KC) are responsible for the majority of viral clearance after systemic viral delivery and they play a major role in adenovirus induced acute toxicity. The therapeutic window could possibly be widened by transiently depleting KCs, allowing smaller viral input doses and diminishing KC related toxicity.

The transductional efficacy of various capsid modified viruses was analyzed in vitro and in vivo in murine orthotopic breast cancer model. The effect of capsid modifications on the oncolytic efficacy, i.e. the ability of the viruses to kill cancer cells, was evaluated in vitro and in vivo in murine cancer models. We concluded that capsid modifications result in transductional enhancement, and that enhanced transduction translates into more potent oncolysis in vitro and in vivo. When KC depleting agents were used in vivo prior to viral injections, enhanced tumor transduction was seen, but this effect was not translated into enhanced antitumor activity.

Transcriptional regulation of replicative oncolytic viruses is a prerequisite for virotherapy. Tumor or tissue specific promoters can be used to control the transcription of adenoviral early genes to gain cancer specific viral replication. Specific deletions in viral regions essential for virus replication in normal cells can further increase the safety by allowing viral genome replication in cancer cells featuring specific mutations. Genetically modified viruses were shown to be able to kill putative cancer stem cells that are thought to be responsible for post treatment relapses and metastasis. Further, pharmacologic intervention reduced viral replication and thereby might offer an additional safety switch in case viral replication related side effects are encountered.

Huolimatta perinteisten syöpähoitojen parantumisesta levinnyttä syöpää ei voida parantaa, ja uusia tehokkaita hoitomuotoja tarvitaan. Onkolyyttisten eli syöpäsoluja tappavien adenovirusten käyttö on uusi lähestymistapa syövän hoidossa. Se perustuu adenovirusten kykyyn tappaa solut, joissa ne monistavat perimänsä ja tuottavat uusia viruspartikkeleita. Adenovirusten levitessä kasvaimessa naapurisoluihin niiden terapeuttinen vaikutus teoriassa moninkertaistuu. Virusten käyttö syövän hoidossa edellyttää viruksen perimän muokkaamista, jotta sen monistuminen rajoittuu syöpäsoluihin ja sivuvaikutuksilta normaalisoluissa vältytään. Lisäksi adenovirusten kykyä päästä kohdesoluihin voidaan parantaa muokkaamalla kuorta, jonka sisällä viruksen perimä on. Muokkaamalla viruksen kuorta voidaan myös osittain välttää immuunipuolustukseen liittyvä viruksen nopea poistaminen verenkierrosta ja samoin immuunipuolustukseen liittyvä mahdollinen akuutti toksisuus.

Erilaisilla adenoviruksen perimän muokkauksilla voidaan vaikuttaa siihen, missä soluissa adenoviruksen perimä monistuu ja uusia viruksia syntyy. Perimän monistumiselle ehdottoman tärkeiden geenien luentaa voidaan kontrolloida erityisillä promoottorialueilla, jotka toimivat ja siten sallivat geenien luennan vain syöpäsoluissa. Perimästä voidaan myös poistaa lyhyitä alueita sellaisista geeneistä, joiden toiminta on edellytys adenoviruksen perimän monistumiselle normaalisoluissa. Syöpäsoluissa on yleensä sellaisia muutoksia, jotka sallivat tällä tavalla muokattujen adenovirusten perimän monistamisen, tavallisissa soluissa ei.

Adenovirusten pääsyä kohdesoluihin voidaan kontrolloida myös kemiallisilla yhdisteillä. Ihmisen maksan kupfferinsolut ovat makrofageja, jotka vastaavat adenovirusten nopeasta poistamisesta verenkierrosta ja saattavat samalla aiheuttaa akuuttia toksisuutta. Tietyt yhdisteet estävät Kupfferinsoluja poistamasta adenoviruksia verenkierrosta, ja siten niin sanottua terapeuttista ikkunaa voidaan laajentaa. Toisin sanoen vaikuttamalla Kupfferinsoluihin adenoviruksia voidaan antaa vähemmän ja silti saavuttaa tyydyttävä taso adenoviruksen pääsyssä kohdesoluihin verenkierrosta. Myös adenovirusten leviämiseen kohdesolusta toiseen voidaan vaikuttaa. Viruksen perimän monistumiseen ja uusien virusten leviämiseen voi liittyä haittavaikutuksia etenkin ihmisissä, joiden immuunipuolustus on heikentynyt. Tietyt yhdisteet estävät adenovirusten pääsyä uusiin kohdesoluihin, pysäyttäen siten niiden lisääntymisen ihmisessä.

Tutkimuksessamme totesimme onkolyyttisten adenovirusten kuoren muokkauksen parantavan niiden pääsyä syöpäsoluihin ja syöpäsolujen tappamistehokkuutta sekä in vitro soluviljelmissä, että in vivo hiiren rintasyöpämalleissa. Erilaiset turvallisuutta lisäävät perimän muokkaukset eivät merkittävästi huonontaneet virusten tehokkuutta ja muokatut virukset kykenivät tappamaan jopa niin sanottuja syövän kantasoluja, joiden uskotaan olevan syöpien synnyn ja hoidettujen syöpien uusiutumisen taustalla. Lisäksi totesimme, että erilaisilla yhdisteillä voidaan lisätä adenovirusten pääsyä kohdesoluihin ja toisaalta hallita virusten leviämistä ihmisessä mahdollisten viruksen monistumiseen liittyvien haittavaikutusten ilmetessä.