Adenoviral Gene Therapy for Advanced Head and Neck Cancer

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.

Kohdennetut liposomit syövän hoidossa

Suurin ongelma syöpätautien lääkehoidossa on sen aiheuttamat toksiset sivuvaikutukset. Tyypillisesti vain noin 1 % elimistöön annostellusta lääkeaineesta saavuttaa hoitoa tarvitsevat syöpäsolut, loppuosa lääkeaineesta jää vahingoittamaan elimistön terveitä soluja. Toksiset sivuvaikutukset rajoittavat lääkehoidon annoksen nostamista elimistössä riittävälle pitoisuudelle, mikä johtaa usein sairauden ennenaikaiseen pahenemiseen ja mahdollisen lääkeaineresistenssin kehittymiseen. Liposomien välittämä lääkeaineen kohdentaminen voidaan jakaa kahteen eri menetelmään: passiiviseen ja aktiiviseen kohdentamiseen. Liposomien passiivisen kohdentamisen tarkoituksena on lisätä sytotoksisen lääkeaineen paikallistumista pelkästään kasvainkudokseen. Passiivinen kohdentaminen perustuu liposomien kulkeutumiseen verenkierron mukana, jolloin liposomit kerääntyvät epänormaalisti muodostuneeseen kasvainkudokseen. Liposomien aktiivisella kohdentamisella pyritään parantamaan passiivisesti kohdentuvien liposomien terapeuttista tehokkuutta kohdentamalla lääkeaineen vaikutus pelkästään syöpäsoluihin. Aktiivisessa kohdennuksessa liposomin pintaan kiinnitetään ligandi, joka spesifisesti tunnistaa kohdesolun. Tämän pro gradu -tutkielman kirjallisen osion tarkoituksena oli tutustua syöpäkudokseen kohdennettujen liposomien ominaisuuksiin tehokkaan soluunoton ja sytotoksisuuden saavuttamiseksi. Kokeellisessa osiossa tutkittiin kohdennettujen liposomien soluunottoa ja sytotoksista vaikutusta ihmisen munasarjasta eristetyillä adenokarsinoomasoluilla (SKOV-3). Liposomit kohdennettiin setuksimabi (C225, Erbitux®) vasta-aineella, jonka on todettu olevan tietyissä syöpätyypeissä (mm. keuhko- ja kolorektaalisyövissä, pään ja kaulan syövissä sekä rinta-, munuais-, eturauhas-, haima- ja munasarjasyövissä) yli-ilmentyneen epidermaalisen kasvutekijäreseptoriperheen HER1-proteiinin (ErbB-1, EGFR, epidermal growth factor receptor) spesifinen ja selektiivinen inhibiittori. Afrikan viherapinan munuaisista lähtöisin olevaa CV-1 solulinjaa käytettiin kontrollina kuvaamaan elimistön normaaleja soluja. Kohdennettujen liposomien soluunottoa tutkittiin soluunottokokeilla, joissa käytettiin kontrollina kohdentamattomia pegyloituja liposomeja. Setuksimabi-vasta-aineen spesifinen sitoutuminen EGF-reseptoriin todettiin kilpailutuskokeilla. Doksorubisiinia sisältävien immunoliposomien sytotoksisuutta selvitettiin Alamar Blue™ -elävyystestillä. Lisäksi immunoliposomien säilyvyyttä seurattiin mittaamalla liposomien keskimääräinen halkaisija noin kahden viikon välein. Setuksimabi-vasta-aineella kohdennettujen liposomien soluunotto oli huomattavasti suurentunut SKOV-3 syöpäsoluissa ja doksorubisiinia sisältävät kohdennetut liposomit aiheuttivat voimakkaamman sytotoksisen vaikutuksen kuin kohdentamattomat liposomit. Kohdennettujen doksorubisiiniliposomien sytotoksisuus tuli kuitenkin esille viiveellä, mikä viittaa lääkeaineen hitaaseen vapautumiseen liposomista. Suurentunutta soluunottoa ja sytotoksista vaikutusta ei havaittu CV-1 solulinjassa. Kohdennettujen liposomien sovellusmahdollisuudet lääketieteessä ja syövän hoidossa ovat merkittävät. Tällä hetkellä liposomien kliininen käyttö rajoittuu passiivisesti kohdennettuihin liposomeihin (Doxil® (Am.),Caelyx® (Eur.)). Lupaavista solukokeista huolimatta kohdennettujen liposomien terapeuttinen käyttö tulevaisuudessa näyttää haasteelliselta.

Kohdennetut nanopartikkelit ja isotooppikuvantaminen syövän hoidossa

Syövän diagnostiikassa ja hoidossa nanopartikkelit voivat toimia kuljetinaineina lääke- ja diagnostisille aineille tai nukleiinihappojaksoille. Kantaja-aineeseen voidaan liittää kohdennusmolekyylejä partikkelien passiivista tai aktiivista kohdennusta varten tai radioleima kuvantamista tai radioterapiaa varten. Kantaja-aineiden avulla voidaan parantaa lääkeaineen fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia ja biologista hyötyosuutta, vähentää systeemisiä sivuvaikutuksia, pidentää lääkeaineen puoliintumisaikaa ja siten harventaa annosteluväliä, sekä parantaa lääkeaineen pääsyä kohdekudokseen. Näin voidaan parantaa kemo- ja radioterapian tehoa ja hoidon onnistumisen todennäköisyyttä. Kirjallisuuskatsauksessa perehdytään nanokantajien rooliin syövän hoidossa. Vuosikymmeniä jatkuneesta tutkimuksesta huolimatta vain kaksi (Eurooppa) tai kolme (Yhdysvallat) nanopartikkeliformulaatiota on hyväksytty markkinoille syövän hoidossa. Ongelmina ovat riittämätön hakeutuminen kohdekudokseen, immunogeenisyys ja nanopartikkelien labiilius. Kokeellisessa osassa tutkitaan in vitro ja hiirillä in vivo 99mTc-leimattujen, PEG-verhoiltujen biotiiniliposomien kaksivaiheista kohdennusta ihmisen munasarjan adenokarsinoomasoluihin. Kohdentamiseen käytetään biotinyloitua setuksimabi-(Erbitux®) vasta-ainetta, joka sitoutuu solujen yli-ilmentämiin EGF-reseptoreihin. Kaksivaiheista kohdennusta verrataan suoraan ja/tai passiiviseen kohdennukseen. Tehokkaampien kuvantamismenetelmien kehitys on vauhdittanut kohdennettujen nanopartikkelien tutkimusta. Isotooppikuvantamista käyttäen pystytään seuraamaan radioleiman jakautumista elimistössä ja kuvantamaan solutasolla tapahtuvia ilmiöitä. Kirjallisuuskatsauksessa perehdytään SPECT- ja PET-kuvantamiseen syövän hoidossa, sekä niiden hyödyntämiseen lääkekehityksessä nanopartikkelien kuvantamisessa. Kyseiset kuvantamismenetelmät erottuvat muista menetelmistä korkean erotuskyvyn, herkkyyden ja helppokäyttöisyyden suhteen. Kokeellisessa osassa 99mTc-leimattujen liposomien distribuutiota hiirissä tutkittiin SPECT-CT-laitteen avulla. Aktiivisuus kasvaimessa, pernassa ja maksassa kvantifioitiin InVivoScope-ohjelman ja gammalaskijan avulla. Tuloksia verrattiin keskenään. In vitro-kokeessa saavutettiin kaksivaiheisella kohdennuksella 2,7- 3,5-kertainen (solulinjasta riippuen) hakeutuminen soluihin kontrolliliposomeihin verrattuna. Kuitenkin suora kohdennus toimi kaksivaiheista kohdennusta paremmin in vitro. In vivo –kokeissa liposomit jakautuivat kasvaimeen tehokkaammin i.p.-annosteltuna kuin i.v.-annosteltuna. Kaksivaiheisella kohdennuksella saavutettiin 1,24-kertainen jakautuminen kasvaimeen (% ID/g kudosta) passiivisesti kohdennettuihin liposomeihin verrattuna. %ID/elin oli kohdennetuilla liposomeilla 5,9 % ja passiivisesti kohdennetuilla 5,4%. Todellinen ero oli siis pieni. InVivoScope:n ja gammalaskijan tulokset eivät korreloineet keskenään. Lisätutkimuksia ja menetelmän optimointia vaaditaan liposomien kohdennuksessa kasvaimeen.