Development of a novel personalized viral vector-based cancer vaccine for melanoma

Tausta ja tavoitteet: Syöpä on globaalisti yksi yleisimmistä kuolinsyistä, ja hoitoresistenttien tapausten taltuttamiseksi uusia hoitomenetelmiä tarvitaan edelleen viime vuosikymmenten laajasta tutkimus- ja kehitystyöstä huolimatta. Syövän immunoterapiassa pyritään herättämään kehon oma immuunipuolustus hyökkäämään syöpäsoluja vastaan. Monet virukset kykenevät myös edistämään syöpäspesifisen immuunivasteen syntymistä sekä parantamaan muiden samanaikaisten immunoterapioiden tehoa. Tämän tutkielman tarkoituksena oli kehittää virusvektoriin pohjautuva syöpärokote melanooman intratumoraaliseen immunoterapiaan. Virusvektorin aikaansaamaa immuunivastetta pyrittiin ohjaamaan syöpäkudosta vastaan kiinnittämällä syöpäkudosantigeenejä vaipallisten vektorivirusten kaksoislipidikalvoon solukalvon läpäisevän peptidisekvenssin (engl. cell-penetrating peptide, CPP) avulla, mikä toimii perusajatuksena aiemmin kehitetylle PeptiENV-syöpärokotealustalle. Tämän PeptiENV-kompleksin tehoa syöpärokotteena arvioitiin seuraamalla sen vaikutuksia kasvainten kasvuun sekä paikallisten ja systeemisten syöpäantigeenispesifisten immuunivasteiden muodostumiseen. Menetelmät: Rokotekompleksin muodostumista tutkittiin pintaplasmoniresonanssi (engl. surface plasmon resonance, SPR) -menetelmällä. Rokotekompleksin vaikutuksia antigeeniä esittelevien solujen aktivaatioon sekä antigeenin esittelyyn tutkittiin in vitro hiiren JAWS II -dendriittisolulinjalla. Syöpäantigeenispesifisen T-soluvälitteisen immuunivasteen aktivaatiota in vivo tutkittiin ensin immunisoimalla hiiriä PeptiENV-kompleksilla. Tämän jälkeen rokotekompleksin tehoa tutkittiin hiiren B16.OVA- ja B16.F10.9/K1-melanoomamalleilla. Intratumoraalisen PeptiENV-hoidon lisäksi osalle B16.F10.9/K1-implantoiduista hiiristä annosteltiin anti-PD-1- immuunivasteen vapauttajaa (engl. immune checkpoint inhibitor, ICI), minkä tarkoituksena oli tutkia rokotekompleksia ICI-terapian biologisena liitännäishoitona. Tulokset: SPR-kokeen tulosten perusteella CPP-syöpäantigeenit kiinnittyivät stabiilisti vektorivirusten pinnalle. In vitro -kokeessa havaittiin, että PeptiENV-kompleksi aktivoi dendriittisoluja eikä heikennä antigeenien esittelyä dendriittisolujen pinnalla. Immunisaatiokokeessa PeptiENV-kompleksi aktivoi antigeenispesifistä T-soluvastetta ei-kompleksoitua antigeeni-virus-valmistetta tehokkaammin. B16.OVA-tuumorikokeessa PeptiENV-kompleksi ei kuitenkaan kyennyt hidastamaan kasvainten kasvua kontrollihoitoja tehokkaammin, vaikka intratumoraalihoidolla oli selkeä syöpäkudosspesifistä T-soluvälitteistä immuunivastetta stimuloiva vaikutus. B16.F10.9/K1-tuumorikokeessa sen sijaan PeptiENV-hoito hidasti selkeästi kasvainten kasvua ja kasvatti merkittävästi eloonjäämisen todennäköisyyttä. Intratumoraalisen PeptiENV-hoidon ja immuunivasteen vapauttajan yhteisvaikutus oli terapeuttisesti additiivinen. Pohdinta ja johtopäätökset: Tutkielmassa kuvaillaan uusi, hyvin immunogeeninen virusvektoriin pohjautuva syöpärokote, jota käyttämällä voidaan kasvattaa systeemisen ICI-hoidon terapeuttista vastetta. Jatkotutkimuksissa voitaisiin selvittää tarkemmin, mitkä immunologiset mekanismit piilevät rokotekompleksin syövän vastaisen tehon taustalla. Tätä PeptiENV-syöpärokotekompleksia voitaisiin myös jatkossa tutkia rokotealustana uusien pandemioiden rokotuskampanjoissa. Tulevissa kokeissa tulisi kuitenkin selvittää olemassa olevan virusvektorispesifisen immuunivasteen vaikutus rokotekompleksin immunogeenisyyteen ja syövän vastaiseen tehoon.Background and objectives: Cancer is one of the leading causes of death worldwide, and resistance to current treatments demands the continuous development of novel cancer therapies. Cancer immunotherapy aims to induce anticancer immune responses that selectively target cancer cells. Viruses can also be harnessed to elicit tumor-specific immune responses and to improve the response rates of other concomitant cancer therapies. The purpose of this study was to develop a novel viral vector-based cancer vaccine for intratumoral immunotherapy. By using the previously developed PeptiENV cancer vaccine platform, the vector viruses were coated with cell-penetrating peptide (CPP) sequence-containing tumor peptides in an attempt to further drive the immune responses elicited by the vector against cancer cells. The efficacy of the PeptiENV complex as a cancer vaccine was assessed by following its effects on tumor growth and the development of local and systemic antitumor immune responses. Methods: The PeptiENV complex formation was assessed by a surface plasmon resonance (SPR) analysis. Dendritic cell (DC) activation and antigen cross-presentation were studied using the murine JAWS II dendritic cell line. The development of cellular immune responses against tumor antigens was first studied by immunizing mice with the PeptiENV complex. The antitumor efficacy and immunity of intratumoral PeptiENV administration were then studied using the murine melanoma models B16.OVA and B16.F10.9/K1. In addition to intratumoral PeptiENV treatment, some of the B16.F10.9/K1-implanted mice were also treated with an anti-PD-1 immune checkpoint inhibitor (ICI) to study the PeptiENV complex as a biological adjuvant for ICIs. Results: The SPR analysis confirmed that CPP-containing peptides can be stably anchored onto the viral envelope of the viral vector. The in vitro results showed that the PeptiENV complex does not hamper the presentation of antigens at the surface of DCs. Additionally, the viral vector was found to activate DCs seen as a change in the cells’ morphology and surface protein expression. Immunizing mice with the PeptiENV complex induced a robust antigen-specific cytotoxic T cell response. Upon intratumoral administration in vivo, the PeptiENV cancer vaccine was not capable of inducing tumor growth control against B16.OVA melanoma, although it did still elicit robust systemic and local antitumor T cell responses. In the treatment of B16.F10.9/K1 melanoma, however, the PeptiENV complex induced efficient tumor growth control, which resulted in a significant survival benefit. Additionally, co-administration of anti-PD-1 resulted in an additive therapeutic effect. Discussion and conclusions: The present study describes a novel, highly immunogenic viral vector-based cancer vaccine that has the potential to be used as an adjuvant treatment for ICI therapy. Subsequent studies could be conducted to gain a deeper understanding of the immunological mechanisms underlying the antitumor efficacy of the cancer vaccine complex. Moreover, this novel PeptiENV complex could also be further developed as an infectious disease vaccine platform against emerging pandemics. However, the effects of pre-existing antiviral immunity on the efficacy of the cancer vaccine should be explored in future studies