Adenoviral Gene Therapy for Advanced Head and Neck Cancer

Abstract

Advanced stage head and neck cancers (HNC) with distant metastasis, as well as prostate cancers (PC), are devastating diseases currently lacking efficient treatment options. One promising developmental approach in cancer treatment is the use of oncolytic adenoviruses, especially in combination therapy with conventional cancer therapies. The safety of the approach has been tested in many clinical trials. However, antitumor efficacy needs to be improved in order to establish oncolytic viruses as a viable treatment alternative. To be able to test in vivo the effects on anti-tumor efficiency of a multimodal combination therapy of oncolytic adenoviruses with the standard therapeutic combination of radiotherapy, chemotherapy and Cetuximab monoclonal antibody (mAb), a xenograft HNC tumor model was developed. This model mimics the typical clinical situation as it is initially sensitive to cetuximab, but resistance develops eventually. Surprisingly, but in agreement with recent findings for chemotherapy and radiotherapy, a higher proportion of cells positive for HNC cancer stem cell markers were found in the tumors refractory to cetuximab. In vitro as well as in vivo results found in this study support the multimodal combination therapy of oncolytic adenoviruses with chemotherapy, radiotherapy and monoclonal antibody therapy to achieve increased anti-tumor efficiency and even complete tumor eradication with lower treatment doses required. In this study, it was found that capsid modified oncolytic viruses have increased gene transfer to cancer cells as well as an increased antitumor effect. In order to elucidate the mechanism of how oncolytic viruses promote radiosensitization of tumor cells in vivo, replicative deficient viruses expressing several promising radiosensitizing viral proteins were tested. The results of this study indicated that oncolytic adenoviruses promote radiosensitization by delaying the repair of DNA double strand breaks in tumor cells. Based on the promising data of the first study, two tumor double-targeted oncolytic adenoviruses armed with the fusion suicide gene FCU1 or with a fully human mAb specific for human Cytotoxic T Lymphocyte-Associated Antigen 4 (CTLA-4) were produced. FCU1 encodes a bifunctional fusion protein that efficiently catalyzes the direct conversion of 5-FC, a relatively nontoxic antifungal agent, into the toxic metabolites 5-fluorouracil and 5-fluorouridine monophosphate, bypassing the natural resistance of certain human tumor cells to 5-fluorouracil. Anti-CTLA4 mAb promotes direct killing of tumor cells via apoptosis and most importantly immune system activation against the tumors. These armed oncolytic viruses present increased anti-tumor efficacy both in vitro and in vivo. Furthermore, by taking advantage of the unique tumor targeted gene transfer of oncolytic adenoviruses, functional high tumor titers but low systemic concentrations of the armed proteins were generated. In addition, supernatants of tumor cells infected with Ad5/3-24aCTLA4, which contain anti-CTLA4 mAb, were able to effectively immunomodulate peripheral blood mononuclear cells (PBMC) of cancer patients with advanced tumors. -- In conclusion, the results presented in this thesis suggest that genetically engineered oncolytic adenoviruses have great potential in the treatment of advanced and metastatic HNC and PC.

Pitkälle levinneisiin pään ja kaulan alueen syöpiin sekä eturauhassyöpään ei ole olemassa tehokkaita parantavia hoitomuotoja. Onkolyyttisten virusten käyttö yhdessä perinteisten hoitojen kanssa on lupaava kokeellinen hoitomuoto ja sen turvallisuus on osoitettu useissa kliinisissä kokeissa. Kasvainta tuhoavaa vaikutusta pitää kuitenkin tehostaa riittävän hoitovasteen saavuttamiseksi.

Tässä työssä kehitettiin pään ja kaulan alueen syövän eläinmalli, jonka avulla tutkittiin onkolyyttisten virusten, solunsalpaajien ja monoklonaalisen vasta-aineen (Setuksimab) kasvainta tuhoavaa yhteisvaikutusta. Tämä malli jäljittelee kliinistä tilannetta hyvin, sillä alun perin setuksimabille herkät syöpäsolut kehittivät nopeasti hoitoresistenssin. Kuten viimeaikaiset tutkimukset koskien solunsalpaajia ja sädehoitoa ovat osoittaneet, erityisesti syöpäsolut jotka ilmentävät syövän kantasoluille tyypillisiä pintaproteiineja olivat resistenttejä setuksimabille. Multimodaalihoito käyttäen onkolyyttisiä viruksia, solunsalpaajia ja monoklonaalista vasta-ainetta paransi hoidon kasvainta tuhoavaa vaikutusta, pienensi tarvittavia hoitoannoksia ja johti jopa kasvainten häviämiseen.

Onkolyyttisten virusten kykyä herkistää syöpäsolut sädehoidolle tutkittiin eläinmallissa siirtämällä syöpäsoluihin ei-replikoituvien virusten avulla useita sädehoidolle herkistäviä viruksen proteiinejä. Tulokset osoittivat, että onkolyyttiset adenovirukset herkistävät syöpäsolut sädehoidolle viivyttämällä DNA:n kaksoiskierteeseen syntyvien katkosten korjausta. Tässä työssä kehitettiin kaksi syöpäsoluihin kohdennettua onkolyyttistä adenovirusta joista toinen oli aseistettu FCU1 itsemurhageenillä ja toinen ihmisen sytotoksiseen T lymfosyyttiin liittyvän antigeeni 4:n (CTLA-4) monoklonaalisella vasta-aineella. FCU1 koodaa proteiiniä joka katalysoi ei-myrkyllisen 5-fluorosytosiinin (5-FC) muuntumista myrkyllisiksi metaboliiteiksi, 5-fluorourasiiliksi ja 5-fluori uridiini monofosfaatiksi. CTLA-4:n monoklonaalinen vasta-aine edistää syopäsolujen apoptoottista kuolemista ja aktivoi elimistön immuunijärjestelmän kasvainta tuhoavaa vaikutusta. Molemmilla viruksilla osoitettiin olevan parempi kasvainta tuhoava vaikutus verrattuna muokkaamattomiin viruksiin.

Onkolyyttisten virusten avulla siirtogeenin ilmentyminen voidaan kohdentaa syöpäsoluihin. Kasvaimessa todettiin suuri pitoisuus proteiinia, kun taas proteiinin pitoisuus veressä pysyi alhaisena. Tämän lisäksi, Ad5/3-24aCTLA4 viruksella infektoitujen solujen kasvatusliuoksella, joka sisälsi CTLA4:n monoklonaalista vasta-ainettta, pystyttiin aktivoimaan edennyttä syöpää sairastavien potilaiden verestä eristettyjä mononukleaarisia valkosoluja (PBMC). Yhteenvetona, tulokset osoittavat että geneettisesti muokattuja adenoviruksia voidaan käyttää edenneiden pään ja kaulan alueiden syöpien sekä eturauhassyövän hoidossa.