Broad strategies into engineering superior targeted gene therapy vectors derived from bacteriophage viruses

Abstract

Chemotherapy is the most commonly used treatment for cancer. While chemotherapeutic drugs such as doxorubicin provide cure in some cases, chemotherapy is toxic and has serious side-effects. Another disadvantage is that some types of cancer develop resistance to chemotherapy. Lowering the doses of these drugs will make them safer but would decrease their efficacy. A solution to this would be to combine low doses of these anticancer drugs with a safe anticancer approach. Cancer gene therapy is an alternative and promising approach of cancer treatment. In our group we are using the adeno-associated virus/phage, named AAVP vector, which is a hybrid vector between AAV and phage genomes. AAVP vector was engineered to display the RGD4C peptide which binds to αv integrin receptors overexpressed in tumors. AAVP vector has been proven to be safe and efficient vector for targeted gene delivery to tumors, upon intravenous administration. The aim of my project is to combine low dose of doxorubicin with AAVP vector in order to investigate the drug effects on the AAVP-mediated tumor cell killing. We will also test the combination of AAVP with the natural dietary genistein, an isoflavone present in soy, regarded as a phytoestrogen and proven for its anti-cancer activity. Epidemiological studies have shown that a soy-rich diet has cancer-preventive effects. We found that the combination of low doses (non-toxic) of doxorubicin or genistein with RGD4C-AAVP-guided gene therapy resulted in greater tumor cell killing than treatment with doxorubicin, genistein or the targeted vector alone. In addition, we uncovered the mechanism that doxorubicin and genistein increased the transduction efficiency of AAVP vectors. In conclusion, our results suggest that the combined treatment of doxorubicin or genistein with targeted RGD4C-AAVP gene therapy is a novel, promising, non-invasive and, importantly, safer treatment approach. Therefore, this combined treatment should be considered for future preclinical studies to assess its efficacy in vivo in tumor-bearing animals.

Η χημειοθεραπεία είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη θεραπεία για τον καρκίνο. Ενώ χημειοθεραπευτικά φάρμακα όπως η δοξορουβικίνη παρέχουν θεραπεία σε ορισμένες περιπτώσεις, η χημειοθεραπεία είναι τοξική και έχει σοβαρές παρενέργειες. Ένα άλλο μειονέκτημα είναι ότι ορισμένοι τύποι καρκίνου αναπτύσσουν αντοχή στη χημειοθεραπεία. Η μείωση των δόσεων αυτών των φαρμάκων θα τα καταστήσει ασφαλέστερα, αλλά θα μειώσει την αποτελεσματικότητά τους. Μια πιθανή λύση σε αυτό είναι ο συνδυασμός χαμηλών δόσεων αυτών των αντικαρκινικών φαρμάκων με μια ασφαλή αντικαρκινική προσέγγιση. Η γονιδιακή θεραπεία του καρκίνου είναι μια εναλλακτική και πολλά υποσχόμενη προσέγγιση στη θεραπεία του καρκίνου. Στην ομάδα μας χρησιμοποιούμε τον αδενο-σχετιζόμενο ιό/φάγο, που ονομάζεται φορέας AAVP, ο οποίος είναι ένας υβριδικός φορέας μεταξύ του γονιδιώματος AAV και φάγου. Ο φορέας AAVP σχεδιάστηκε για να εκφράζει στην επιφάνειά του το πεπτίδιο RGD4C το οποίο δεσμεύεται με υποδοχείς αv ιντεγκρίνης οι οποίοι υπερεκφράζονται σε όγκους. Ο φορέας AAVP έχει αποδειχθεί ασφαλής και αποτελεσματικός για στοχευμένη χορήγηση γονιδίων σε όγκους, μετά από ενδοφλέβια χορήγηση. Στόχος της διατριβής μου είναι ο συνδυασμός χαμηλής δόσης δοξορουβικίνης με φορέα AAVP προκειμένου να διερευνηθούν οι επιδράσεις του φαρμάκου στην εξόντωση των καρκινικών κυττάρων που προκαλείται από τον φορέα AAVP. Επιπλέον, διερευνήσαμε τον συνδυασμό AAVP με τη φυτική γενιστεΐνη, μια ισοφλαβόνη που υπάρχει στη σόγια, η οποία θεωρείται φυτοοιστρογόνο και έχει αποδεδειγμένη αντικαρκινική δράση. Επιδημιολογικές μελέτες έχουν δείξει ότι μια δίαιτα πλούσια σε σόγια δρά προληπτικά κατά του καρκίνου. Διαπιστώσαμε ότι ο συνδυασμός χαμηλών δόσεων (μη τοξικών) δοξορουβικίνης ή γενιστεΐνης με γονιδιακή θεραπεία καθοδηγούμενη από RGD4C-AAVP είχε ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη θανάτωση των καρκινικών κυττάρων σε σχέση με τη θεραπεία με δοξορουβικίνη, γενιστεΐνη ή τον στοχευμένο φορέα μόνο. Επιπλέον, αποκαλύψαμε τον μηχανισμό με τον οποίο η δοξορουβικίνη και η γενιστεΐνη αύξησαν την αποτελεσματικότητα μεταγωγής των φορέων AAVP. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματά μας υποδηλώνουν ότι η συνδυαστική θεραπεία δοξορουβικίνης ή γενιστεΐνης με στοχευμένη γονιδιακή θεραπεία RGD4C-AAVP είναι μια νέα, πολλά υποσχόμενη, μη επεμβατική και, το σημαντικότερο, ασφαλέστερη θεραπευτική προσέγγιση. Επομένως, αυτή η συνδυαστική θεραπεία θα πρέπει να ληφθεί υπόψη σε μελλοντικές προκλινικές μελέτες με σκοπό την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητάς της in vivo σε ζώα που φέρουν όγκους.