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Vaccinia virus mediated expression of human erythropoietin in colonized human tumor xenografts results in faster tumor regression and increased red blood cell biogenesis in mice

Expression von humanem Erythropietin in Vaccinia Virus-kolonisierten Tumorxenograftmodellen fördert die Tumorregression und die Biogenese roter Blutzellen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-85383
  • Cancer-related anemia is prevalent in cancer patients. Anemia negatively affects normal mental and physical function capacity with common symptoms s like fatigue, headache, or depression. Human erythropoietin (hEPO), a glycoprotein hormone regulating red blood cell formation, is approved for the treatment of cancer-related anemia. It has shown benefits in correcting anemia, and subsequently improving health-related quality of life and/or enhancing radio-, and chemotherapy. Several recent clinical trials have suggested that recombinant hEPOCancer-related anemia is prevalent in cancer patients. Anemia negatively affects normal mental and physical function capacity with common symptoms s like fatigue, headache, or depression. Human erythropoietin (hEPO), a glycoprotein hormone regulating red blood cell formation, is approved for the treatment of cancer-related anemia. It has shown benefits in correcting anemia, and subsequently improving health-related quality of life and/or enhancing radio-, and chemotherapy. Several recent clinical trials have suggested that recombinant hEPO (rhEPO) may promote tumor growth that raises the questions concerning the safety of using rhEPO for cancer treatment. However in others, such effects were not indicated. As of today, the direct functional effect of rhEPO in tumor models remains controversial and needs to be further analyzed. Based on the GLV-1h68 backbone, the hEPO-expressing recombinant VACV strains (EPO-VACVs) GLV-1h210, GLV-1h211, GLV-1h212 and GLV-1h213 were generated by replacing the lacZ expression cassette at the J2R locus with hEPO under the control of different vaccinia promoters p7.5, pSE, pSEL, pSL, respectively. Also, GLV-1h209 was generated, which is similar to GLV-1h210 but expresses a mutated non-functinal EPO (R103A). The EPO-VACV strains were characterized for their oncolytic efficacy in lung (A549) cancer cells in culture and tumor xenografts. Concomitantly, the effects of locally expressed hEPO in tumors on virus replication, host immune infiltration, tumor vascularization and tumor growth were also evaluated. As expected, EPO-VACVs enhanced red blood cell (RBC) formation in xenograft model. The number of RBCs and hemoglobin (Hb) levels were significantly increased in EPO-VACVs-treated mice compared to GLV-1h68-treated or untreated control mice. However, the mean size of RBC or Hb content per RBC remained normal. Furthermore, over-expression of hEPO did not significantly affect numbers of lymphocytes, monocytes, leucocytes or platelets in the peripheral blood stream. The expression of hEPO in colonized tumors of mice treated with EPO-VACVs was demonstrated by immunohistological staining. Interestingly, there were 9 - 10 hEPO isoforms detected either in tumors, cells, or supernatant, while 3-4 basic isoforms were missing in blood serum, where only six hEPO isoforms were found. Tumor-bearing mice after treatment with EPO-VACVs showed enhanced tumor regression compared to GLV-1h68. The virus titers in tumors in EPO-VACVs-treated mice were 3-4 fold higher compared to GLV-1h68-treated mice. Nevertheless, no significant difference in virus titers among EPO-VACVs was found. The blood vessels in tumors were significantly enlarged while the blood vessel density remained unchanged compared to the GLV-1h68 treated mice, indicating that hEPO did not affect endothelial cell proliferation in this model. Meanwhile, rhEPO (Epoetin alfa) alone or in combination with GLV-1h68 did not show any signs of enhanced tumor growth when compared to untreated controls and GLV-1h68 groups, while doses used were clinical relevant (500 U/kg). These findings suggested that hEPO did not promote angiogenesis or tumor growth in the A549 tumor xenograft model. Human EPO has been reported to function as an immune modulator. In this study, however, we did not find any involvement of hEPO in immune cytokine and chemokine expression or innate immune cell infiltration (leucocytes, B cells, macrophages and dendritic cells) into infected tumors. The degree of immune infiltration and cytokine expression was directly correlated to the number of virus particles. Increased virus replication, led to more recruited immune cells and secreted cytokines/chemokines. It was proposed that tumor regression was at least partially mediated through activation of innate immune mechanisms. In conclusion, the novel EPO-VACVs were shown to significantly increase the number of RBCs, Hb levels, and virus replication in tumors as well as to enhance tumor regression in the A549 tumor xenograft model. Moreover, locally expressed hEPO did not promote tumor angiogenesis, tumor growth, and immune infiltration but was shown to causing enlarged tumoral microvessels which facilitated virus spreading. It is conceivable that in a possible clinical application, anemic cancer patients could benefit from the EPO-VACVs, where they could serve as “wellness pills” to decrease anemic symptoms, while simultaneously destroying tumors.show moreshow less
  • Blutarmut stellt eine häufige Begleiterscheinung in Krebspatienten dar. Anämie beeinträchtigt die normale mentale und körperliche Funktionsfähigkeit. Menschliches Erythropoetin (hEPO), welches die Bildung roter Blutzellen reguliert, ist klinisch zur Behandlung von Krebs-induzierter Blutarmut zugelassen. Wenn es zur Behandlung von Anämie benutzt wird, verbessert es den Gesundheitszustand sowie Bestrahlungs- und Chemotherapie. Verschiedene klinische zeigten, dass rekombinantes hEPO (rhEPO) das Tumorwachstum anregen kann, was die Frage nachBlutarmut stellt eine häufige Begleiterscheinung in Krebspatienten dar. Anämie beeinträchtigt die normale mentale und körperliche Funktionsfähigkeit. Menschliches Erythropoetin (hEPO), welches die Bildung roter Blutzellen reguliert, ist klinisch zur Behandlung von Krebs-induzierter Blutarmut zugelassen. Wenn es zur Behandlung von Anämie benutzt wird, verbessert es den Gesundheitszustand sowie Bestrahlungs- und Chemotherapie. Verschiedene klinische zeigten, dass rekombinantes hEPO (rhEPO) das Tumorwachstum anregen kann, was die Frage nach Sicherheit der Anwendung von rhEPO aufbringt. In anderen Studien hingegen, gab es keine Anzeichen für eine Tumorwachstum anregenden Wirkung oder für ein Eingreifen in krebsspezifische Signalwege. Verschiedene hEPO exprimierende rekombinante VACV Stämme (EPO-VACV) wurden hergestellt, GLV-1h210, GLV-1h211 und GLV-1h213, in welchen die lacZ Expressionskassette im J2R Lokus durch das hEPO Gen unter der Kontrolle von verschiedenen Promotoren, p7.5, pSE und pSL, ersetzt wurde. Ebenfalls wurde GLV-1h209 hergestellt, welches ähnlich zu GLV-1h210 ist, jedoch ein mutiertes und nicht-funktionelles EPO Protein (R103A) exprimiert. Alle EPO-VACV Stämme wurden bezüglich ihrer onkolytischen Funktion in Zellkulturexperimenten sowie in in vivo Tumormodellen charakterisiert. Die Expression von zwei Markergene war in Zellkultur sowie in Tumorxenograften für alle EPO-VACV vergleichbar mit der des parentalen GLV-1h68 Virus. Unterschiede in hEPO Transkription und Translation der EPO-VACV war deutlich abhängig von der Promotorstärke und stieg an von p7.5, über pSE und pSL zu pSEL 12 h nach Infektion von Zellen. Darüberhinaus hatte die Insertion von hEPO in das virale Genom keinen Einfluss auf Replikation oder Zytotoxizität aller EPO-VACV in A549 oder NCI-H1299 Zelllinien, obwohl zu frühen Zeitpunkten (24-48 hpi) die Replikation der EPO-VACV etwas höher war, als die des GLV-1h68 Virus. Die A549 Zellen war zugänglicher für virale Infektion durch alle untersuchten Viren als die NCI-H1299 Zellen. Von besonderem Interesse ist, dass hypoxische Bedingungen (2% O2) die Replikation und damit Expression des Markergens gusA, sowie Zytotoxizität für alle untersuchten VACV unabhängig von hEPO Expression verlangsamte. Alle EPO-VACV erhöhen die Bildung von roten Blutzellen (RBC) in Mausmodellen. Anzahl und RBCs sowie Hämoglobin (Hb) Level waren signifikant erhöht im Vergleich zu unbehandelten oder GLV-1h68 behandelten Mäusen. Die Durchschnittsgröße einer RBC sowie der Hämoglobinanteil hingegen waren unverändert. Darüberhinaus hatte die Expression von hEPO keinen signifikanten Einfluss auf Lymphozyten, Monozyten, Leukozyten oder Blutplättchen im peripheren Blut. Die Expression von hEPO in EPO-VACV kolonisierten Tumoren wurde durch immunohistologische Färbungen bestätigt. Interessanterweise konnten 9-10 EPO Isoformen in Tumoren, Zellen oder Zellüberständen gefunden werden, während im Blutserum 3-4 basische Isoformen fehlten und nur 6 Isoformen auftraten. Tumortragende Mäuse, die mit EPO-VACV behandelt wurden, wiesen im Vergleich zu GLV-1h68 behandelten Mäusen eine erhöhte Tumorregression auf. Ausserdem waren virale Titer in EPO-VACV behandleten Tumoren 3-4 fach höher also in denen, die mit GLV-1h68 behandelt wurden. Kein signifikanter Unterschied hingegen wurde zwischen viralen Titern der verschiedenen EPO-VACV in Tumoren gefunden. Tumorale Blutgefäße waren im Vergleich zu GLV-1h68 behandelten Mäusen deutlich vergrößert, wohingegen die Dichte an Blutgefäßen unverändert war, was andeuted, dass keine Proliferation von Endothelzellen angeregt wurde. Rekombinant hergestelltes Epoetin alfa in klinisch relevanten Dosen allein oder in Kombination mit GLV-1h68 hatte keinen Einfluss auf Verbesserung der Tumorregression verglichen mit unbehandelten oder GLV-1h68 behandelten Mäusen. Diese Ergbnisse legen nahe, dass weder Angiogenese noch Tumorwachstum durch hEPO im A549 Tumormodell angeregt wurde. In dieser Studie hingegen wurde kein Einfluss von hEPO im Bezug auf Zytokin- oder Chemokinexpression sowie Immunzellinfiltration in Tumore nachgewiesen. Das Ausmass an Immunzellinfiltratrion und Zytokinexpression konnte direkt mit der Anzahl an viralen Partikeln korreliert werden. Es wurde angenommen, dass Tumorregression zumindest teiweise durch eine Aktivierung des angeborenen Immunsystems bedingt ist. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch die neuartigen EPO-VACV die Bildung von RBC, die Level an Hb und die virale Replikation signifikant angeregt wurden sowie eine erhöhte Tumorregression im Xenograftmodell auftrat. Darüberhinaus leitete lokal exprimiertes hEPO keine Tumorangiogenese oder Tumorwachstum ein, aber führte zu einer Vergrößerung von Tumorblutgefäßen, was die virale Ausbreitung erleichtern könnte. Es ist vorstellbar, dass anämische Patienten von einer möglichen klinischen Anwendung der EPO-Viren profitieren würden.show moreshow less

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Metadaten
Author: Hoang Duong Nguyen
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-85383
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Date of final exam:2012/12/20
Language:English
Year of Completion:2012
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Erythropoietin; Lungenkrebs; Anämie; Onkolyse
Tag:onkolytische Virotherapie
anemia; erythropoietin; lung cancer; oncolytic therapy
MSC-Classification:92-XX BIOLOGY AND OTHER NATURAL SCIENCES / 92Cxx Physiological, cellular and medical topics / 92C40 Biochemistry, molecular biology
Release Date:2014/02/03
Advisor:Prof. Aladar Szalay
Licence (German):License LogoCC BY-NC-ND: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung, Nicht kommerziell, Keine Bearbeitung