Improving oncolytic adenoviral therapies for gastrointestinal cancers and tumor initiating cells

Although the treatment of most cancers has improved steadily, only few metastatic solid tumors can be cured. Despite responses, refractory clones often emerge and the disease becomes refractory to available treatment modalities. Furthermore, resistance factors are shared between different treatment regimens and therefore loss of response typically occurs rapidly, and there is a tendency for cross-resistance between agents. Therefore, new agents with novel mechanisms of action and lacking cross-resistance to currently available approaches are needed. Modified oncolytic adenoviruses, featuring cancer-celective cell lysis and spread, constitute an interesting drug platform towards the goals of tumor specificity and the implementation of potent multimodal treatment regimens. In this work, we demonstrate the applicability of capsid-modified, transcriptionally targeted oncolytic adenoviruses in targeting gastric, pancreatic and breast cancer. A variety of capsid modified adenoviruses were tested for transductional specificity first in gastric and pancreatic cancer cells and patient tissues and then in mice. Then, oncolytic viruses featuring the same capsid modifications were tested to confirm that successful transductional targeting translates into enhanced oncolytic potential. Capsid modified oncolytic viruses also prolonged the survival of tumor bearing orthotopic models of gastric and pancreatic cancer. Taken together, oncolytic adenoviral gene therapy could be a potent drug for gastric and pancreatic cancer, and its specificity, potency and safety can be modulated by means of capsid modification. We also characterized a new intraperitoneal virus delivery method in benefit for the persistence of gene delivery to intraperitoneal gastric and pancreatic cancer tumors. With a silica implant a steady and sustained virus release to the vicinity of the tumor improved the survival of the orthotopic tumor bearing mice. Furthermore, silica gel-based virus delivery lowered the toxicity mediating proimflammatory cytokine response and production of total and anti-adenovirus neutralizing antibodies (NAbs). On the other hand, silica shielded the virus against pre-excisting NAbs, resulting in a more favourable biodistribution in the preimmunized mice. The silica implant might therefore be of interest in treating intraperitoneally disseminated disease. Cancer stem cells are thought to be resistant to conventional cancer drugs and might play an important role in cancer relapse and the formation of metastasis. Therefore, we examined if transcriptionally modified oncolytic adenoviruses are able to kill these cells. Complete eradication of CD44+CD24-/low putative breast cancer stem cells was seen in vitro, and significant antitumor activity was detected in CD44+CD24-/low –derived tumor bearing mice. Thus, genetically engineered oncolytic adenoviruses have potential in destroying cancer initiating cells, which may have relevance for the elimination of cancer stem cells in humans.

Vaikka syöpähoitojen viimeaikainen kehitys on ollut nopeaa, etäpesäkkeitä lähettäneet syövät ovat harvoin parannettavissa. Onnistuneen hoidon jälkeenkin resistentit solukloonit aiheuttavat syövän uusiutumisen, jolloin syöpä kaikkiaan on tullut hoidoille yhä vastustuskykyisemmäksi. Resistenssin aiheuttavat tekijät ovat yhteisiä eri hoitomuotoilla, jolloin hoitovaste tyypillisesti huononee nopeasti resistenssin ilmenemisen jälkeen. Uusien eri vaikutusmekanismeihin perustuvien hoitojen tarve onkin ilmeinen. Onkolyyttiset adenovirukset on geneettisesti muokattu jakautumaan syöpäsoluissa ja tappamaan niitä. Nämä virukset edustavat lupaavaa täsmälääkettä syövän hoitoon, ja erityisesti muiden hoitomuotojen lisänä. Tässä työssä avaamme uusia mahdollisuuksia onkolyyttisten adenovirusten käyttöön mahasyövän, haimasyövän ja rintasyövän hoidossa. Kapsidimuokkauksilla ohjataan virus sitoutumaan syöpäsolujen pinnassa ilmentyviin reseptoreihin. Kapsidimuokattujen adenovirusten transduktiotehokkuutta mitattiin ensin maha- ja haimasyöpäsoluissa sekä potilasnäytteissä, ja sitten hiirimalleissa. Varmistimme vastaavalla tavalla kapsidimuokatuilla onkolyyttisillä viruksilla lisääntyneen transduktiotehokkuuden vaikutuksen myötävaikuttavan virusten onkolyyttiseen tehoon. Onkolyyttiset virukset myös pidensivät ortotooppisten haima- ja mahasyöpää mallintavien hiirien elinaikaa. Onkolyyttinen adenovirusgeeniterapia saattaa osoittautua lupaavaksi hoitomuodoksi haima- ja mahasyövän hoidossa, ja hoidon tarkkuuteen, tehoon ja turvallisuuteen voidaan vaikuttaa kapsidimuokkauksen avulla. Kuvaamme myös uuden virusten annostelumenetelmän vatsaonteloon, joka kestollisesti parantaa geeninsiirtoa vatsaontelon haima- ja mahasyöpäkasvaimiin. Silikageeli-implanteilla saatiin ohjattua virusta vapautumaan kasvaimen välittömään läheisyyteen tasaisesti ja pitkittyneesti, joka paransi ortotooppisten syöpämallien selviytymistä in vivo. Silikageeliannostelu madalsi proinflammatorista sytokiinivastetta sekä kokonais- ja neutraloivien vasta-aineiden (NAb) tuottoa. Toisaalta, silika suojasi virusta jo olemassa olevilta NAbeilta, joka johti suotuisampaan biodistribuutioon immunisoiduissa hiirissä. Silika saattaa olla käyttökelpoinen vatsaonteloon levinneen syövän virushoidoissa. Syövän kantasolut ovat resistenttejä yleisille syöpähoidoille, ja ne ovat oleellisia syövän uusimisessa ja etäpesäkkeiden lähettämisessä. Tutkimme, voidaanko näitä soluja tappaa jakaantumiseltaan kohdennetuilla onkolyyttisillä adenoviruksilla. Virukset tappoivat täysin CD44+CD24-/low solupopulaatiot, joissa syövän kantasolut ovat, ja ne olivat tehokkaita myös in vivo CD44+CD24-/low –soluista kasvatetuissa kasvaimissa. Geneettisesti muokatuilla onkolyyttisillä adenoviruksilla on mahdollista tappaa syövän kantasoluja, mikä voi osoittautua kliinisesti merkittäväksi tiedoksi.