Enhancing the Antitumor Activity of Oncolytic Adenoviruses by Combining Tumor Targeting with Hyaluronidase Expression or by Increasing the Immunogenicity of Exogenous Epitopes

Abstract

Oncolytic adenoviruses represent an appealing therapeutic approach to treat cancer regarding its capability to infect and kill selectively tumor cells without damaging normal tissues. Tumor targeting upon intravenous administration and subsequent intratumoral virus dissemination are key features to improve oncolytic adenovirus therapy. To address these hurdles, in this work we have combined two different genetic modifications previously described by our group in an oncolytic adenovirus backbone with selective replication conditional to pRB pathway deregulation. First, the replacement of the heparan sulfate glycosaminoglycan-binding site KKTK of the fiber shaft with an integrin-binding motif RGDK for tumor-targeting that has shown to prolong blood persistence and significantly enhance the therapeutic index compared with a non­RGDK-modified virus. Second, the expression of hyaluronidase to degrade the extracellular matrix and improve the intratumoral spread of the virus. Preclinical toxicology and biodistribution studies conducted in non-permissive mouse and semi-permissive Syrian hamster models supported the selectivity and safety of this novel virus, ICOVIR-17K. Antitumor efficacy was also demonstrated in different tumor models in immunodeficient mice and immunocompetent hamsters upon different routs of administration. Moreover, the combination of ICOVIR-17K with the chemotherapeutic drug gemcitabine further increased the antitumor activity of the virus. The data presented in this thesis strongly supports ICOVIR-17K as a promising clinical candidate which is currently being tested in phase I clinical trials.

Besides direct killing of cancer cells, oncolytic viruses may induce antitumor immune responses. Local inflammation of tumor tissue during an infection by an oncolytic virus provides suitable conditions to trigger antitumor immune responses against the tumor-associated antigens that are released in the immunogenic cell death process caused by these agents. Oncolytic adenoviruses can be used to promote immune responses against tumors by expressing and/or displaying tumor-associated antigens. However, a key limitation of this immunotherapeutic approach is the bias of the response towards the immunodominant viral antigens instead of the less immunogenic tumor antigens. In addition, defects in MHC class I antigen presentation pathway such as the downregulation of the transporter associated with antigen processing (TAP) are frequently associated with immune evasion of tumor cells and further impair the generation of specific immune responses against tumor antigens carried by oncolytic viruses. In this work we present a novel strategy that benefit from the TAP deficiency on tumor cells to enhance the response against those tumor epitopes, which had been attached to the viral protein E3-19K. This protein has a signal sequence that targets it to the endoplasmic reticulum, bypassing the necessity of TAP to transport the epitopes to that compartment. Compared to the display of the epitopes at the adenoviral capsid, this strategy promoted the immunogenicity of the epitopes and resulted in more potent antitumor immune responses, tackling a crucial aspect of virotherapy that is often overlooked.

In summary, the two different projects involved in this thesis addressed the main limitations of oncolytic adenoviruses from distinct points of view that may eventually be combined in order to maximize the opportunities of success of oncolytic adenoviruses in the clinics.

La viroteràpia del càncer amb adenovirus oncolítics es basa en l’habilitat d’aquests agents en replicar selectivament en cèl·lules tumorals, produint la seva mort sense afectar cèl·lules normals. Les principals limitacions d’aquesta teràpia són la dificultat dels adenovirus per arribar als tumors després de ser administrats sistèmicament i també la seva incapacitat per dispersar-se de manera homogènia dins dels tumors. En aquest treball s’ha generat un adenovirus oncolític que combina dues mutacions descrites amb anterioritat pel nostre grup. Per una banda, la substitució del motiu d’unió a heparan-sulfats glicosaminoglicans situat al domini shaft de la fibra pel motiu d’unió a integrines RGD (mutació RGDK) per tal de millorar la ratio de transducció tumor/fetge i d’augmentar la persistència en sang de l’adenovirus. Per altra banda, l’expressió de hialuronidasa amb l’objectiu de degradar l’àcid hialurònic de la matriu extracel·lular del tumor i millorar la dispersió intratumoral de l’adenovirus. Aquest nou virus, l’ICOVIR-17K, va mostrar una potent eficàcia antitumoral en models de ratolí i hàmster que va ser fins i tot incrementada mitjançant la combinació amb gemcitabina, tot mantenint el perfil de toxicitat dels adenovirus oncolítics parentals.

Per altra banda, a més de matar directament les cèl·lules tumorals, els adenovirus oncolítics poden contribuir a la generació de respostes immunes contra el tumor. El tipus de mort cel·lular que generen és altament immunogènic i ajuda al reclutament de cèl·lules del sistema immune que generen respostes contra els antígens tumorals alliberats en aquest procés. Una de les principals limitacions de la immunoteràpia amb virus oncolítics és la resposta esbiaixada cap als antígens virals, que són immunodominants, en lloc de cap als antígens tumorals, que són poc immunogènics. Per tal d’afavorir la generació de respostes immunes antitumorals, en aquest treball s’han incorporat epítops tumorals en la proteïna E3-19K de l’adenovirus, que conté una seqüència senyal que la dirigeix directament al reticle endoplasmàtic, de manera que evadeix els passos previs de processament antigènic per la via del MHC de classe I, comunament afectada en cèl·lules tumorals. Aquesta estratègia va permetre la generació de respostes immunes antitumorals més potents que quan els mateixos epítops eren incorporats a la càpside de l’adenovirus, i a més, van ser traduïdes en una millor eficàcia antitumoral en un model murí de melanoma. En resum, en aquest treball s’han abordat les principals limitacions dels adenovirus oncolítics des de diferents punts de vista que, eventualment, poden ser combinats per tal d’aconseguir un millor candidat per ser testat exitosament a la clínica.