Inhibition of tumor growth by adenovirus-mediated expression of antiangiogenic and immunomodulatory proteins

Vijayshankar, S.G. (2006). Inhibition of tumor growth by adenovirus-mediated expression of antiangiogenic and immunomodulatory proteins. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

This work was based on the hypothesis that vector-mediated long-term expression of antiangiogenic or immunomodulatory proteins may represent an attractive strategy to control the growth of malignant neoplasms. The experiments focused on two antiangiogenic molecules, sflt1 and stie2, and on one molecule with well-known immunomodulatory function, IL-12. HC-Ad vectors were chosen for gene delivery since long-term expression in hepatocytes is generally achieved following intravenous vector injection. The vectors were designed to express the molecules either in a constitutive manner (sflt1 and stie2) or in the context of a RU 486-inducible expression system thereby allowing for drug control of expression (sflt1, mIL-12 and hIL-12). Following in vitro characterisation of the different vectors their biological activity was analysed in murine cancer models, the subcutaneous LLC model and the orthotopic (liver) MC-38 model. The analysis of each vector started with an analysis of expression levels and kinetics following intravenous injection. Very significant and stable serum levels of all molecules were achieved in vivo. It was also found that the RU 486 system allowed for exquisite liver-specific and long-term expression control with practically negligible expression of the transgenes in the absence of RU 486. Thus, the RU 486 inducible expression system is very well suited to control expression of potentially toxic proteins, as also demonstrated in this study for sflt1 and IL-12. A significant result of this study was the observation that RU 486-induced expression of mIL-12 in the orthotopic MC-38 model resulted in complete tumor eradication. This was surprising since the MC-38 model is a very aggressive model of liver cancer. It is likely that the local expression of high mIL-12 levels in the tumor environment was essential for this positive result. In contrast, constitutive or RU 486-induced expression of sflt1 in the same model had no tumor-inhibitory effect. Less promising results were observed with any of the vectors when tested in the subcutaneous LLC cancer model. None of the vectors, when injected alone, resulted in tumor eradication, although there was a tendency for tumor growth inhibition following injection of the sflt1 expressing vector. A similar tumor growth inhibitory effect was observed upon combined injection of the sflt1 and stie2 expressing vectors. When sflt1 and mIL-12 were expressed in combination, a moderate increase in survival time was found. However, complete tumor regression was not observed in the LLC tumor model with any of the vectors alone or in combination. Unexpected was the observation that VEGF blockade by expressing sflt1 over a longer period of time resulted in toxicity and death of the animals, likely due to dysfunction of renal endothelial cells and kidney failure. This result suggested that upon therapeutic VEGF-inhibition close attention has to be paid to possible side effects in particular with respect to renal function

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Hemmung des Tumorwachstums durch Adenovirus-vermittelte Expression von antiangiogenetischen und immuno-modulatorischen Proteinen	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Diese Arbeit beruhte auf der Hypothese, dass langzeitige Vektor-vermittelte Expression von anti-angiogenetischen oder immunmodulatorischen Proteinen eine vielversprechende Strategie zur Kontrolle des Wachstums maligner Neoplasmen sein könnte. Die experimentelle Arbeit konzentrierte sich auf zwei anti-angiogenetische Moleküle, sflt1 und stie2, sowie das immunmodulatorische IL-12. Adenovirale Vektoren mit hoher DNA-Kapazität wurden als Vektorsystem gewählt, da sie in vivo nach intravenöser Injektion Langzeitexpression in Hepatozyten ermöglichen. Die Vektoren exprimierten die Transgene entweder konstitutiv (sflt1 und stie2) oder RU 486-induzierbar (mIL-12 und hIL-12), so dass eine medikamentöse Steuerung der Genexpression möglich war. Nach der in-vitro-Charakterisierung der einzelnen Vektoren wurde ihre biologische Aktivität in dem subkutanen LLC-Tumormodell und dem orthotopen MC-38 Modell in der Labormaus untersucht. Die Analyse beinhaltete zunächst die Untersuchung von Expressionsstärke und Expressionskinetik nach intravenöser Injektion. Hierbei wurden stabile Serumkonzentrationen aller Moleküle auf hohem Niveau beobachtet. Des weiteren konnte gezeigt werden, dass die auf dem RU 486-System beruhenden Vektoren eine leber-spezifische und langzeitige Expressionskontrolle ermöglichten, und insbesondere ohne nennenswerte Expression der Transgene in Abwesenheit von RU 486. Diese Daten zeigen, dass das induzierbare RU 486-System gut zur Kontrolle der Expression potentiell toxischer Transgene geeignet ist, wie am Beispiel von sflt1 und IL-12 hier verdeutlicht. Ein wesentliches Ergebnis dieser Arbeit war die Beobachtung, dass die Expression von mIL-12 mittels des RU 486-Systems in dem orthotopen MC-38 Tumormodell zur kompletten Tumor Remission führte. Die war umso überraschender, als das MC-38 Modell ein sehr aggressives Lebertumormodell ist. Es ist wahrscheinlich, dass die starke Expression von mIL-12 in der Tumorumgebung wesentlich für dieses positive Ergebnis verantwortlich war. Im Gegensatz hierzu hatte die Expression von sflt1 im selben Modell weder bei konstitutiver noch bei induzierbarer Expression einen tumor-inhibitorischen Effekt. Weniger vielversprechende Ergebnisse wurden mit den verwendeten Vektoren in dem subkutanen LLC-Tumormodell erzielt. Bei alleiniger Injektion führte keiner der Vektoren zur kompletten Tumor Remission, wenngleich eine Tendenz zur Inhibition des Tumorwachstums nach Injektion des sflt1 Expressionsvektors zu beachten war. Ein ähnlicher inhibitorischer Effekt konnte bei gemeinsamer Injektion der Expressionsvektoren für sflt1 und stie2 nachgewiesen werden und ein moderater Anstieg der Überlebenszeit wurde bei gleichzeitiger Expression der beiden Vektoren beobachtet. Allerdings konnte eine vollständige Tumor Remission mit keiner der Vektorkombinationen im LLC-Modell erzielt werden. Unerwartet war die Beobachtung, dass VEGF Blockade durch langzeitige Expression von sflt1 von starker Toxizität begleitet war und den Tod der Tiere zur Folge hatte, vermutlich verursacht durch eine Störung der renalen Endothelzellfunktion gefolgt von Nierenversagen. Dieses Ergebnis deutete darauf hin, dass bei therapeutischer VEGF-Inhibition auf Nebenwirkungen und insbesondere auf Störung der Nierenfunktion zu achten ist.

German

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