Cancer remains a major cause of death and novel treatment modalities are needed. Oncolytic immunotherapy is a safe and promising approach, where cancer-selective viruses kill only cancer cells and mount an immune response against the tumor. We aimed to improve oncolytic adenoviral immunotherapy by combining it with chemotherapy and radiotherapy, and by identifying resistance mechanisms and biomarkers.
We first showed that combining radiotherapy with adenoviral vector proteins E4orf3 and E4orf6, but not E1B55K, enhanced DNA damage accumulation and cancer cell killing, and inhibited prostate tumor growth in mice. This intrinsic ability of adenoviruses to radiosensitize cells could be harnessed against cancer cells by selective targeting, thus increasing efficacy while reducing the harmful side-effects of radiotherapy.
In study two, we established two ovarian cancer mouse models, where tumors relapse despite the presence of functional oncolytic adenovirus, with tumor stroma maintaining the virus resistance. We identified upregulated interferon signaling in the resistant tumors by microarray, while pathway analyses suggested potential therapeutic targets, and myxovirus resistance protein A (MxA) was found a protein level indicator correlating with resistance to virus. Our results provide a putative biomarker and targets, which can help in detecting and overcoming resistance against oncolytic adenovirus.
Antitumor T-cell activation appears to require autophagy and immunogenic cell death (ICD). In a translational study, we demonstrated preclinically that oncolytic adenovirus together with low-dose temozolomide and cyclophosphamide increased ICD and autophagy, resulting in tumor growth inhibition. Combination therapy was found safe in 41 treatments given to patients with refractory solid tumors in the context of an advanced therapy access program (ATAP). Increase of an ICD marker protein high-mobility group box 1 (HMGB1) and antitumor T-cell activity suggested activation of immune responses. Disease stabilization or better was observed in 67% of evaluable treatments, and as an estimated effect on survival, combination-treated patients trended for increased overall survival over non-randomized control patients.
Biomarkers are urgently needed for identification of cancer patients likely to benefit from immunotherapy. Because HMGB1 protein is emerging a key player in immunomodulation, we addressed the biomarker value of HMGB1 serum level in an ATAP cohort of 202 cancer patients treated with oncolytic adenoviruses: Patients with low-baseline HMGB1 showed significantly improved overall survival and disease control rate in multivariate analyses as compared to high-baseline patients. Both patient groups showed good safety. HMGB1-low patients seemed to benefit from immunogenic virus constructs and antitumor T-cell activity. Thus, we have identified HMGB1 as a novel prognostic and predictive biomarker for oncolytic immunotherapy, which may distinguish between immunologically inert and responsive cancer patients.
This thesis provides rationale for combining oncolytic adenoviruses with radiotherapy, low-dose temozolomide and cyclophosphamide. We report safety, possible signs of efficacy, and immunological effects in altogether 238 patient treatments, and introduce promising biomarkers for oncolytic immunotherapy. Our results can help in designing clinical trials and developing oncolytic adenovirus treatments.Syöpätaudit ovat maailman yleisin kuolinsyy, jonka vuoksi tehokkaampia hoitoja tarvitaan. Onkolyyttinen immunoterapia on turvallinen ja lupaava hoitomuoto, jossa vain syöpäsoluissa jakautuvat virukset tuhoavat kasvainkudosta säästäen terveet solut, samalla aktivoiden immuunijärjestelmää havaitsemaan syöpäkasvaimia. Tämä väitöskirjatutkimus tähtää onkolyyttisen adenoviraalisen immunoterapian kehittämiseen yhdistelmähoidoissa sädehoidon ja solunsalpaajien kanssa, sekä tutkimalla kasvainresistenssin syitä ja uusia biomarkkereita.
Ensimmäisessä osajulkaisussa raportoimme kahden adenovirus-vektorin proteiinin, E4orf3:n ja E4orf6:n, herkistävän tehokkaasti eturauhassyöpää sädehoidolle estämällä DNA-korjausmekanismeja, sekä hidastavan tuumorikasvua yhdistelmähoidon hiirimallissa. Tämä adenovirusten luontainen kyky altistaa infektoitu solu sädehoidolle voidaan kohdentaa syöpäsoluja vastaan onkolyyttisesti, siten lisäten tehoa ja vähentäen säteilyn sivuvaikutuksia normaalikudoksiin.
Toisessa osajulkaisussa tutkimme onkolyyttisiä adenoviruksia vastaan kehittyvää kasvainresistenssiä munasarjasyövän hiirimalleissa, joissa kasvaintukikudos näytti ylläpitävän vastustuskykyä. Havaitsimme interferoni-vasteen yliaktivoituneen ja löysimme mahdollisia lääkinnällisiä kohteita resistenssikasvaimista. Identifioimme potentiaalisesti hyödyllisen biomarkkerin, myxovirus-proteiini A:n (MxA), joka korreloi virus-resistenssin kanssa. Tuloksemme valottavat viruksia vastaan kehittyvän kasvainresistenssin mekanismeja ja voivat auttaa sen taltuttamisessa.
Hyödyllisten T-soluvasteiden aikaansaamisessa autofagia ja immunogeeninen solukuolema (ICD) ovat keskeisiä. Kolmas, translationaalinen tutkimuksemme osoitti onkolyyttisen adenoviruksen yhdessä matala-annoksisen temotsolomidin ja syklofosfamidin kanssa lisäävän syöpäsolujen ICD:aa, autofagiaa ja parantavan tehoa eturauhassyövän hiirimallissa. 41 yhdistelmähoitoa annettuna kokeellisessa ATAP-hoito-ohjelmassa pitkälle-edenneiden syöpäpotilaiden kasvaimiin osoittautuivat hyvin siedetyiksi. ICD:ssa vapautuvan high-mobility group box 1 (HMGB1) proteiinin nousu ja anti-tumoraaliset T-soluvasteet viittasivat immuunijärjestelmän aktivoitumiseen. Raportoimme taudinetenemisen hidastuneen kuvantamisessa 67%:lla arvioitavista potilashoidoista, sekä havaitsimme suuntaa-antavasti viitteitä elossaoloajan pitkittymisestä verrattuna ei-randomoituihin kontrollipotilaisiin.
Biomarkkereita kaivataan kohdentamaan immunoterapeuttisia hoitomuotoja niistä hyötyville potilaille. Neljännessä tutkimuksessa määritimme seerumin HMGB1 proteiinin ennustearvon 202 syöpäpotilaan ATAP-hoidetussa aineistossa: Monimuuttuja-malleissa onkolyyttisen adenovirushoidon mahdollinen hyöty kuvantamisvasteissa ja elossaoloajassa korostui merkittävästi sillä osalla potilaista joiden veren HMGB1-taso oli alkutilanteessa matala. Raportoimme hoitojen olevan turvallisia molemmissa potilasryhmissä. HMGB1-matalat potilaat näyttivät hyötyvän immunogeenisistä hoitoviruksista sekä antitumoraalisten T-solujen aktivaatiosta, viitaten biomarkkerin mekanismin olevan immuunivälitteinen. Päättelemme siten seerumin HMGB1 proteiinin olevan lupaava ennusteellinen biomarkkeri onkolyyttiselle immunoterapialle.
Väitöskirjatutkimuksemme edistää onkolyyttisen immunoterapian tehon ja turvallisuuden kehitystä erityisesti syövän yhdistelmähoidoissa, tarjoten perusteet kliinisiin jatkotutkimuksiin, ja esittelee uusia biomarkkereita jotka voivat auttaa paremmin kohdentamaan immunoterapeuttiset hoitomuodot niistä hyötyville syöpäpotilaille
