Ivan Petrov

• Cancer is one of the leading causes of death worldwide, with currently assessed chances to develop at least one cancer in a lifetime for about 20%. High cases rates and mortality require the development of new anticancer therapies and treatment strategies. Another important concern is toxicity normally associated with conventional therapy methods, such as chemo- and radiotherapy. Among many proposed antitumoral agents, oncolytic viruses are still one of the promising and fast-developing fields of research with almost a hundred studies publishedCancer is one of the leading causes of death worldwide, with currently assessed chances to develop at least one cancer in a lifetime for about 20%. High cases rates and mortality require the development of new anticancer therapies and treatment strategies. Another important concern is toxicity normally associated with conventional therapy methods, such as chemo- and radiotherapy. Among many proposed antitumoral agents, oncolytic viruses are still one of the promising and fast-developing fields of research with almost a hundred studies published data on over 3000 patients since the beginning of the new millennia. Among all oncolytic viruses, the Vaccinia virus is arguably one of the safest, with an extremely long and prominent history of use, since it was the one and only vaccine used in the Smallpox Eradication Program in the 1970s. Interestingly enough, it was the first oncolytic virus proven to have tumor tropism in vitro and in vivo in laboratory settings, and this year we can celebrate an unofficial 100th anniversary since the publication of the fact. While being highly immunogenic, Vaccinia virus DNA replication takes place in the cytoplasm of the infected cell, and virus genes never integrate into the host genome. Another advantage of using Vaccinia as an oncolytic agent is its high genome capacity, which allows inserting up to 25 kbps of exogenous genes, thus allowing to additionally arm the virus against the tumor. Oncolytic virus action consists of two major parts: direct oncolysis and immune activation against the tumor, with the latter being the key to successful treatment. To this moment, preclinical research data are mostly generated in immunocompromised xenograft models, which have hurdles to be properly translated for clinical use. In the first part of the current study, fourteen different recombinant Vaccinia virus strains were tested in two different murine tumor cell lines and corresponding immunocompetent animal models. We found, that Copenhagen backbone Vaccinia viruses while being extremely effective in cell culture, do not show significant oncolytic efficacy in animals. In contrast, several of the LIVP backbone viruses tested (specifically, IL-2 expressing ones) have little replication ability when compared to the Copenhagen strain, but are able to significantly delay tumor growth and prolong survival of the treated animals. We have also noted cytokine related toxicity of the animals to be mouse strain specific. We have also tested the virus with the highest therapeutic benefit in combination with romidepsin and cyclophosphamide. While the combination with histone deacetylase inhibitor romidepsin did not result in therapeutic benefit in our settings, the addition of cyclophosphamide significantly improved the efficacy of the treatment, at the same time reducing cytokine-associated toxicity of the IL-2 expressing virus. In the second part of the work, we analyzed the ability of adipose-derived mesenchymal stem cells to serve as a carrier for the oncolytic Vaccinia virus. We showed for the first time that the cells can be infected with the virus and can generate virus progeny. They are also able to survive for a substantially long time and, when injected into the bloodstream of tumor-bearing animals, produce the virus that is colonizing the tumor. Analysis of the systemic distribution of the cells after injection revealed that infected and uninfected cells are not distributed in the same manner, possibly suggesting that infected cells are getting recognized and cleared by an impaired immune system of athymic mice faster than non-infected cells. Despite this, injection of virus-loaded adipose-derived mesenchymal stem cells to human A549 tumor-bearing xenograft mice resulted in rapid tumor regression and reduced virus-related side effects of the treatment when compared to injection of the naked virus. In conclusion, we have tested two different approaches to augmenting oncolytic Vaccinia virus therapy. First, the combination of recombinant Vaccinia virus expressing IL-2 and cyclophosphamide showed promising results in a syngeneic mouse model, despite the low permissivity of murine cells to the virus. Second, we loaded the oncolytic Vaccinia virus into mesenchymal stem cells and have proven that they can potentially serve as a vehicle for the virus.…
• Krebs ist eine der häufigsten Todesursachen weltweit, wobei die Wahrscheinlichkeit, im Laufe des Lebens an mindestens einer Krebsart zu erkranken, derzeit auf etwa 20 % geschätzt wird. Die hohen Fallzahlen und die hohe Sterblichkeit erfordern die Entwicklung neuer Krebstherapien und Behandlungsstrategien. Ein weiteres wichtiges Problem ist die Toxizität, die normalerweise mit konventionellen Behandlungsmethoden, wie Chemo- und Strahlentherapie, einhergeht. Unter den vielen vorgeschlagenen antitumoralen Wirkstoffen sind onkolytische Viren nachKrebs ist eine der häufigsten Todesursachen weltweit, wobei die Wahrscheinlichkeit, im Laufe des Lebens an mindestens einer Krebsart zu erkranken, derzeit auf etwa 20 % geschätzt wird. Die hohen Fallzahlen und die hohe Sterblichkeit erfordern die Entwicklung neuer Krebstherapien und Behandlungsstrategien. Ein weiteres wichtiges Problem ist die Toxizität, die normalerweise mit konventionellen Behandlungsmethoden, wie Chemo- und Strahlentherapie, einhergeht. Unter den vielen vorgeschlagenen antitumoralen Wirkstoffen sind onkolytische Viren nach wie vor eines der vielversprechendsten und sich schnell entwickelnden Forschungsgebiete mit fast hundert veröffentlichten Studien an über 3000 Patienten seit Beginn des neuen Jahrtausends. Unter allen onkolytischen Viren ist das Vaccinia Virus wohl eines der Sichersten und hat eine extrem lange und prominente Anwendungsgeschichte, da es der einzige Impfstoff war, der im Pockenausrottungsprogramm in den 1970er Jahren verwendet wurde. Interessanterweise war es das erste onkolytische Virus, dessen Tumortropismus in vitro und in vivo im Labor nachgewiesen wurde. In diesem Jahr (2022) können wir das inoffizielle 100-jährige Jubiläum seit der Veröffentlichung dieser Tatsache feiern. Obwohl Vaccinia hoch immunogen ist, findet die Replikation im Zytoplasma der infizierten Zelle statt, und die Virusgene werden niemals in das menschliche Genom integriert. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Vaccinia als onkolytisches Agens ist seine hohe Genomkapazität, die es ermöglicht, bis zu 25 kbit/s an exogenen Genen einzufügen, wodurch das Virus zusätzlich gegen den Tumor aufgerüstet werden kann. Die Wirkung des onkolytischen Virus besteht aus zwei Hauptbestandteilen: der direkten Onkolyse und die Aktivierung des Immunsystems gegen den Tumor, wobei letztere der Schlüssel zum Behandlungserfolg ist. Bislang wurden präklinische Forschungsdaten meist in immungeschwächten Xenotransplantationsmodellen gewonnen, die sich nur schwer für den klinischen Einsatz eignen. Im ersten Teil der aktuellen Studie wurden vierzehn verschiedene rekombinante Vaccinia-Virusstämme in zwei verschiedenen murinen Tumorzelllinien und in entsprechenden immunkompetenten Tiermodellen getestet. Wir fanden heraus, dass Kopenhagener Backbone-Vaccinia-Viren zwar in der Zellkultur äußerst wirksam sind, im Tiermodell jedoch keine signifikante onkolytische Wirksamkeit zeigen. Im Gegensatz dazu haben mehrere der getesteten LIVP-Backbone-Viren (insbesondere die IL-2 exprimierenden) im Vergleich zum Kopenhagener Stamm nur eine geringe Replikationsfähigkeit, sind aber in der Lage, das Tumorwachstum deutlich zu verzögern und das Überleben der behandelten Tiere zu verlängern. Wir haben auch festgestellt, dass die Zytokin-bedingte Toxizität der Tiere mausstammspezifisch ist. Wir haben auch das Virus mit dem höchsten therapeutischen Nutzen in Kombination mit Romidepsin und Cyclophosphamid getestet. Während die Kombination mit dem Histon-Deacetylase-Inhibitor Romidepsin in unseren Versuchsreihen keinen therapeutischen Nutzen erbrachte, verbesserte die Zugabe von Cyclophosphamid die Wirksamkeit der Behandlung erheblich und verringerte gleichzeitig die zytokinbedingte Toxizität des IL-2-exprimierenden Virus. Im zweiten Teil der Arbeit analysierten wir die Fähigkeit von aus Fettgewebe gewonnenen mesenchymalen Stammzellen, als Träger für das onkolytische Vaccinia-Virus zu dienen. Wir konnten zum ersten Mal zeigen, dass die Zellen mit dem Virus infiziert werden können und Virusnachkommen erzeugen können. Sie sind auch in der Lage, sehr lange zu überleben und, wenn sie in den Blutkreislauf von Tieren mit Tumoren injiziert werden, das Virus zu produzieren, das den Tumor besiedelt. Die Analyse der systemischen Verteilung der Zellen nach der Injektion ergab, dass infizierte und nicht infizierte Zellen nicht auf die gleiche Weise verteilt werden, was möglicherweise darauf hindeutet, dass infizierte Zellen von einem beeinträchtigten Immunsystem der athymischen Mäuse schneller erkannt und beseitigt werden, als nicht infizierte Zellen. Trotzdem führte die Injektion von virusbeladenen mesenchymalen Stammzellen aus Fettgewebe in A549-Tumor-tragende Xenograft-Mäuse zu einer schnellen Tumorregression und zu geringeren virusbedingten Nebenwirkungen der Behandlung, als bei der Injektion des nackten Virus. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir zwei verschiedene Ansätze zur Verstärkung der onkolytischen Vaccinia-Virus-Therapie getestet haben. Erstens zeigte die Kombination aus rekombinantem Vaccinia-Virus, das IL-2 exprimiert, und Cyclophosphamid in einem syngenen Mausmodell vielversprechende Ergebnisse, trotz der geringen Permissivität der Mäusezellen für das Virus. Zweitens haben wir onkolytische Vaccinia-Viren in mesenchymale Stammzellen eingebracht und nachgewiesen, dass diese als Vehikel für das Virus dienen können.…