Approaches for improving the safety and efficacy of adenoviral gene therapy

Abstract

Cancer is a devastating disease with poor prognosis and no curative treatment, when widely metastatic. Conventional therapies, such as chemotherapy and radiotherapy, have efficacy but are not curative and systemic toxicity can be considerable. Almost all cancers are caused due to changes in the genetic material of the transformed cells.

Cancer gene therapy has emerged as a new treatment option, and past decades brought new insights in developing new therapeutic drugs for curing cancer. Oncolytic viruses constitute a novel therapeutic approach given their capacity to replicate in and kill specifically tumor cells as well as reaching tumor distant metastasis.

Adenoviral gene therapy has been suggested to cause liver toxicity. This study shows that new developed adenoviruses, in particular Ad5/19p-HIT, can be redirected towards kidney while adenovirus uptake by liver is minimal. Moreover, low liver transduction resulted in a favorable tumor to liver ratio of virus load. Further, we established a new immunocompetent animal model Syrian hamsters. Wild type adenovirus 5 was found to replicate in Hap-T1 hamster tumors and normal tissues. There are no antiviral drugs available to inhibit adenovirus replication. In our study, chlorpromazine and cidofovir efficiently abrogated virus replication in vitro and showed significant reduction in vivo in tumors and liver.

Once safety concerns were addressed together with the new given antiviral treatment options, we further improved oncolytic adenoviruses for better tumor penetration, local amplification and host system modulation. Further, we created Ad5/3-9HIF-Δ24-VEGFR-1-Ig, oncolytic adenovirus for improved infectivity and antiangiogenic effect for treatment of renal cancer. This virus exhibited increased anti-tumor effect and specific replication in kidney cancer cells. The key player for good efficacy of oncolytic virotherapy is the host immune response. Thus, we engineered a triple targeted adenovirus Ad5/3-hTERT-E1A-hCD40L, which would lead to tumor elimination due to tumor-specific oncolysis and apoptosis together with an anti-tumor immune response prompted by the immunomodulatory molecule.

In conclusion, the results presented in this thesis constitute advances in our understanding of oncolytic virotherapy by successful tumor targeting, antiviral treatment options as a safety switch in case of replication associated side-effects, and modulation of the host immune system towards tumor elimination.

Pitkälle levinneen syövän ennuste on usein huono, sillä parantavia hoitomuotoja ei ole tarjolla. Perinteiset hoitomuodot, kuten solunsalpaajat ja sädehoito, ovat harvoin parantavia ja haittavaikutukset ovat usein huomattavia. Syopä syntyy soluissa tapahtuvien geneettisten muutosten seurauksena, jolloin solujen normaalit kasvunsäätelyominaisuudet muuttuvat.

Viime vuosikymmenten aikana on kehitetty uusia hoitoja syöpään ja syovän geeniterapia on yksi lupaavimmista kokeellisista hoitomuodoista. Onkolyyttiset virukset monistuvat syöpäsoluissa jonka seurauksena syöpäsolu kuolee vapauttaen uusia infektiivisiä viruspartikkeleita, jotka voivat verenkierron välityksellä kulkeutua muualla elimistössä oleviin etäpesäkkeisiin.

Adenovirus geeniterapia saattaa aiheuttaa toksisuutta erityisesti maksassa. Tässä työssä on osoitettu, että geneettisesti muokatut adenovirukset, erityisesti Ad5/19p-HIT, voidaan kohdistaa munuaisiin samalla vähentäen viruksen kerääntymistä maksaan. Vähäisempi kerääntyminen maksaan johtaa myös viruksen suhteellisesti parempaan kulkeutumiseen kasvainkudokseen.

Tässä työssä on kehitetty myös uusi immunokompetentti Syyrianhamsteri eläinmalli. Muokkaamattoman serotyyppi 5 adenoviruksen osoitettiin monistuvan hamsterin Hap-T1 soluilla aiheutetuissa kasvaimissa sekä normaalikudoksessa. Adenoviruksen monistumisen rajoittamiseen ei ole olemassa antiviraalilääkkeitä. Tässä työssä on osoitettu että klooripromatsiini ja sidofoviiri estävät tehokkaasti adenoviruksen monistumisen soluviljelmissä ja vähentävät monistumista myös eläinten kasvaimissa ja maksassa.

Työn tarkoituksena oli myös kehittää adenoviruksia jotka tehokkaammin lisääntyisivät kasvainkudoksessa ja joilla voitaisiin samalla muokata immuunijärjestelmää paremman kasvainta tuhoavan vaikutuksen aikaan saamiseksi. Immuunijärjestelmällä on osoitettu olevan ratkaisevan tärkeä merkitys onkolyyttisen virusterapian tehokkuuden määräytymisessä. Sen vuoksi työssä on kehitetty adenovirus Ad5/3-hTERT-E1A-hCD40L joka pystyy tuhoamaan kohdennetusti syöpäsolukkoa kolmella eri mekanismilla. Viruksen onkolyyttinen vaikutus tappaa syöpäsoluja mutta sen lisäksi viruksessa oleva siirtogeeni, ihmisen CD40 ligandi (hCD40L) aiheuttaa infektoitujen syöpäsolujen apoptoosin ja herättää immuunivasteen kasvainsoluja kohtaan. Työssä kehitettiin myös adenovirus Ad5/3-9HIF-Δ24-VEGFR-1-Ig joka onkolyyttisen vaikutuksen lisäksi estää tehokkaasti kasvainkudoksen verisuonten kehittymistä.

Yhteenvetona, tämä työ on tuonut lisätietoa onkolyyttisen virusterapian paremmasta kohdentamisesta kasvainkudokseen, antiviraalihoitojen toimivuudesta mahdollisten haittavaikutusten rajoittamiseksi, ja mahdollisuuksista muokata immuunijärjestelmää paremman kasvainta tuhoavan vaikutuksen aikaansaamiseksi.