Векторы в генотерапии рака: преимущество спор клостридий перед вирусами (продолжение...)

Микросреда опухолей благоприятна для роста клостридий

Уникальная микросреда солидных опухолей является препятствием для воспроизводства вирусов (65, 66). Гипоксия, характерная для злокачественных опухолей, может значительно снижать способность вирусов к заражению раковых клеток и подавлять воспроизводство вирусов в таких клетках, что приводит к значительному снижению эффективности вирусной генотерапии. Кроме клеток, подверженных гипоксии, серьезное препятствие для вирусов представляют апоптотические и покоящиеся клетки (67). Напротив, такие ниши благоприятны для прорастания и размножения спор клостридий. Споры клостридий дикого типа и генетически модифицированных штаммов способны специфично колонизировать и элиминировать солидные опухоли.

Споры клостридий легко производить

Для производства вирусных векторов необходимы сложные системы клеточных культур, дорогие питательные среды, последовательные этапы фильтрации, очистки и центрифугирования, а также особые условия хранения. Технология получения спор клостридий из культур анаэробных бактерий достаточно проста и не требует значительных капиталовложений. К тому же, полученные споры клостридий можно хранить в течение 3-6 месяцев при комнатной температуре.

Споры клостридий легко направлять в опухоли

Большинство вирусных векторов необходимо вводить непосредственно внутрь опухоли для достижения значимого терапевтического эффекта, тогда как споры клостридий достаточно вводить внутривенно, поскольку они способны поступать в опухоль с кровотоком и прорастать там.

Клостридии воздействуют на все типы клеток в опухолях, включая стромальные и стволовые клетки

Солидные опухоли содержат не только раковые клетки, но также внеклеточный матрикс и не злокачественные клетки разных типов, включая стромальные и стволовые клетки, такие как фибробласты, эндотелиальные и клетки иммунной системы. Механизмы уничтожения опухолей с помощью векторов на основе спор клостридий включают два аспекта. Один из них, используемый также в генотерапии с помощью вирусных векторов, определяется трансгеном, который может кодировать как фермент, конвертирующий пролекарство в лекарство при суицидной генотерапии, так и цитокин для иммуногенотерапии. Другой аспект, характерный исключительно для анаэробных клостридий, связан с противоопухолевым действием бактериальных протеолитических ферментов, таких как протеазы, липазы и нуклеазы. Более того, клостридии и окружающие их клетки (включая раковые, стромальные и стволовые клетки) конкурируют за питательные вещества, и клостридии выигрывают в этой битве, поскольку делятся гораздо быстрее, чем клетки млекопитающих. Таким образом, клостридии провоцируют естественную гибель клеток опухоли, вызванную недостатком питательных веществ. Жизнедеятельность клостридий в опухоли активирует реакцию иммунной системы, усиливая противоопухолевый эффект этих бактерий (68). В совокупности, эти механизмы уничтожения опухолей приводят к разрушению не только самих раковых клеток, но и соседних клеток. В этом заключается преимущество векторов на основе спор клостридий перед вирусными векторами и другими традиционными методами лечения солидных опухолей.

Эффективность не зависит от внедрения вектора в клетку-мишень и не требуется интеграции трансгена в геном раковой клетки

Вирусным векторам необходимо проникнуть в раковую клетку, чтобы осуществить онколитическое действие путем интегрирования трансгена в геном клетки-хозяина и воспроизводства вирусных частиц в инфицированной клетке. С помощью вирусных векторов невозможно добиться заражения всех раковых клеток опухоли, что приводит к возрождению опухоли без применения дополнительных методов терапии, таких как химиотерапии или лучевой терапии. Споры клостридий проявляют свое противоопухолевое действие во внеклеточном пространстве, поскольку растут и делятся вне клеток; трансген так же экспрессируется во внеклеточном пространстве, поэтому не требуется интеграции гена в геном раковых клеток. Споры клостридий не обладают мутагенной активностью, в отличие от вирусных векторов.

Неограниченные возможности по переносу терапевтических генов

Размеры вирусного генома позволяют переносить только небольшие трансгены. А споры клостридий обладают практически неограниченными возможностями для генетических модификаций, поскольку новые гены можно вводить как в геном бактерий, так и в автономно воспроизводящиеся кольцевые ДНК - плазмиды.

Заключение

Уникальная патофизиология солидных опухолей представляет серьезную проблему для традиционной терапии, что и является основной причиной низкой эффективности лечения рака. На сегодняшний день проводятся интенсивные исследования, направленные на разработку новых подходов для лечения онкологических заболеваний, включая генотерапию с помощью вирусных векторов (69-71). Наиболее перспективными из них являются репликационно-компетентные варианты вирусов (2,3). К сожалению, вирусные системы имеют ряд недостатков, связанных с необходимостью введения вирусов во все раковые клетки опухоли, гипоксией, препятствующей нормальному функционированию вируса и инфицированных клеток, и сами вирусы могут выделять токсичные вещества. Из неинфицированных клеток опухоли обычно возрождаются.

Строго анаэробные клостридии способны селективно колонизировать солидные опухоли и демонстрируют высокую эффективность лечения модельных новообразований. В настоящее время проводится фаза I клинических испытаний с наиболее перспективным непатогенным штаммом клостридий C. novyi-NT (10). Одним из основных преимуществ спор клостридий является их способность прорастать только в раковых опухолях, включая метастазы, и не затрагивая других тканей организма. Споры клостридий обладают практически неограниченными возможностями по переносу трансгенов, что открывает широкие перспективы для разработок, направленных на повышение эффективности генотерапии.

Список литературы:

1. Woo CY, Osada T, Clay TM, Lyerly HK, Morse MA: Recent clinical progress in virus-based therapies for cancer. Expert Opin Biol Ther 2006, 6(11):1123-34.

2. Papanastassiou V, Rampling R, Fraser M, Petty R, Hadley D, Nicoll J, Harland J, Mabbs R, Brown M: The potential for efficacy of the modified (ICP 34.5(-)) herpes simplex virus HSV1716 following intratumoural injection into human malignant glioma: a proof of principle study. Gene Ther 2002, 9:398-406.

3. Pipiya T, Sauthoff H, Huang YQ, Chang B, Cheng J, Heitner S, Chen S, Rom WN, Hay JG: Hypoxia reduces adenoviral replication in cancer cells by downregulation of viral protein expression. Gene Ther 2005, 12(11):911-7.

4. Seth P: Vector-mediated cancer gene therapy: an overview. Cancer Biol Ther 2005, 4(5):512-7. Epub 20055. Colombo F, Barzon L, Franchin E, Pacenti M, Pinna V, Danieli D, Zanusso M, Palu G: Combined HSV-TK/IL-2 gene therapy in patients with recurrent glioblastoma multiforme: biological and clinical results. Cancer Gene Ther 2005, 12:835-848.

6. Clark WH: Tumor progression and the nature of cancer. Br J Cancer 1991, 64:631-644.

7. Vaupel P, Harrison L: Tumour hypoxia: causative factors, compensatory mechanisms, and cellular response. Oncologist 2004, 9:4-9.8. Carey RW, Holland JF, Whang HY, Neter E, Bryant B: Clostridial oncolysis in man. Euro J Can 1967, 3:37-46.

9. Wei MQ, Ellem KA, Dunn P, West MJ, Bai CX, Vogelstein B: Facultative or obligate anaerobic bacteria have the potential for multimodality therapy of solid tumours. Eur J Cancer 2007, 43(3):490-6. Epub 2006 Nov 1710. Website title [http://www.clinicaltrials.gov/ct]

11. Liu SC, Minton NP, Giaccia AJ, Brown JM: Anticancer efficacy of systemically delivered anaerobic bacteria as gene therapy vectors targeting tumor hypoxia/necrosis. Gene Ther 2002, 9(4):291-296.

12. Theys J, Landuyt W, Nuyts S, Van Mellaert L, van Oosterom A, Lambin P, Anne J: Specific targeting of cytosine deaminase to solid tumours by engineered Clostridium acetobutylicum. Cancer Gene Ther 2001, 8(4):294-7.

13. Ochsenbein AF: Immunological ignorance of solid tumors. Springer Seminars in Immunopathology 2005, 27:19-35.

14. Young LS, Searle PF, Onion D, Mautner V: Viral gene therapy strategies: from basic science to clinical application. J Pathol 2006, 208(2):299-318.

15. Ram Z, Culver KW, Oshiro EM, Viola JJ, DeVroom HL, Otto E, Long Z, Chiang Y, McGarrity GJ, Muul LM, Katz D, Blaese RM, Oldfield EH:Therapy of malignant brain tumors by intratumoral implantation of retroviral vector-producing cells. Nat Med 1997, 3(12):1354-61.

16. Tai CK, Wang WJ, Chen TC, Kasahara N: Single-shot, multicycle suicide gene therapy by replication-competent retrovirus vectors achieves long-term survival benefit in experimental glioma. Mol Ther 2005, 12(5):842-51.

17. Buchholz CJ, Cichutek K: Is it going to be SIN?: a European Society of Gene Therapy commentary: Phasing-out the clinical use of non self-inactivating murine leukemia virus vectors: initiative on hold. J Gene Med 2006, 8(10):1274-6.

18. Naldini L, Blomer U, Gallay P, Ory D, Mulligan R, Gage FH, Verma IM, Trono D: In vivo gene delivery and stable transduction of nondividing cells by a lentiviral vector. Science 1996, 272(5259):263-7.

19. Levine BL, Humeau LM, Boyer J, MacGregor RR, Rebello T, Lu X, Binder GK, Slepushkin V, Lemiale F, Mascola JR, Bushman FD, Dropulic B, June CH: Gene transfer in humans using a conditionally replicating lentiviral vector. Proc Natl Acad Sci USA 103(46):17372-7. 2006, Nov 14; Epub 2006 Nov 7.

20. Metharom P, Tayra S, Xia HQ, MacMillian J, Shepherd R, Wilcox G, Wei MQ: New bovine lentiviral vectors based on the Jembrana disease virus. J Gene Med 2000, 2(3):176-185.

21. Metharom P, Xia HQ, Takyar S, Wilcox G, Ellem K, Wei MQ: The development of bovine lentiviral vectors based on the Jembrana disease virus, an infectious agent of Cattle. Vet Microbiol 2000, 80(1):9-22.

22. Rein DT, Breidenbach M, Curiel DT: Current developments in adenovirus-based cancer gene therapy. Future Oncol 2006, 2(1):137-43.

23. Peng ZH: Current Status of Gendicine in China: Recombinant Human Ad-p53 Agent for Treatment of Cancers. Human Gene Ther 2005, 16(9):1016-1027.