NFP37 SOMATIC GENE THERAPY Texts for Laypersons

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Dr. Ambros Hügin;	Dermatologie et Vénérologie; Hôpital Cantonal; 24, Rue Micheli-du-Crest; 1211 Genève 14; CH; Tel 022 372 94 43; Fax 022 372 9470; e-mail: hugin-ambros@diogenes.hcuge.ch
Title:	Immunotherapy of melanoma; evaluation of anew concept of intra-tumoral gene delivery.
Co-applicants:	Dr. V. Steimle (Genève); Prof. JH Saurat (Genève)
Collaborators:
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ABSTRACT FOR LAYPERSONS 1997:

The immunotherapy of tumors aims to induce an immuneresponse to a poorly immunogenic tumor. This response should a) potentially be systemic and b) have a "memory component", thus acting like a vaccine. Our approaches try to create in the vicinity of tumor cells an environment that is favourable for an efficient and specific response to the tumor. To test some new concepts of immunotherapy, a well studied animal model of a spontaneous melanoma is used for proof of principle.

During the establishment of the model in our laboratory, we observed that mice with this tumor developed a progressive hemolytic anemia. Anemias occasionally occur in some patients with cancer, only some of which are caused by metastases in the bone marrow. This observation could result in the establishment a suitable animal model to study cancer induced anemias. Such a model could also serve to investigate therapeutic approaches to treat some cancer induced anemias.

Some initial experiments were performed, using recombinant vaccinia viruses as well as transfected cell lines. Two general protocols are used to validate our immunotherapeutic approaches:

a) The vaccination approach; animals are vaccinated with virus modified or DNA transfected melanoma cells in order to induce a tumor specific immunity. The animals are then challenged with the unmodified tumor and tumor growth recorded. This approach will show if a protective immunity can be induced. The readout is more sensitive than when therapy is applied to an established tumor (see b), since an established tumor may create a special environment (see c) that may interfere with the induction phase or the effector phase of an immune response. Thus, the more sensitive readout is a better guide to devise strategies.

b) The therapeutic approach; this includes also the approach of a) when applied in the presence of an established tumor. Furthermore, targeting of the immunotherapy directly to the primary tumor by means of a recombinant virus or DNA vaccination may create a optimal immunostimulatory environment in situ. Such an approach has many advantages when translating results from animal experiments into a clinical protocol. These therapeutic experiments are more complex, as they have to take into consideration the tumor mass and the specific tumor environment (see c).

Our first pilot experiments showed either marginal effects or some protection, depending on the protocol chosen. Improvements in vectors and protocols are currently tested for better understanding of the mechanisms involved and improvement of the success rate.

c) Tumors, once established, have a complex interaction with their host and especially also with the immune system. Some tumors produce immunosuppressive factors, such as transforming growth factors (TGF-beta), prostaglandins (PGE2) or immunosuppressive peptides with homologies to immunosuppressive peptides (pl5e) derived from some retroviruses. An optimized immunotherapy (or tumor therapy in general) has to take into account such factors. Similar to some infectious diseases, where multidrug treatments are applied, tumor therapy may require a multidirectional approach. "Neutralization" of such tumor derived, immunosuppressive factors may not only complement but even be required for a successful immunotherapy. To better understand the role of a melanoma derived immunosuppressive peptide, initial experiments have been performed to investigate the potential role of endogenous retroviruses or retroviral peptides associated with the melanoma cell line we use for our experiments. So far, the presence of a in vitro transferable infectious entity has been put to evidence with immunochemical methods. Further characterizations are planned.

The two principal approaches to immunotherapy. Left side: tumor derived cells are transfected in vitro with genes from immunostimulatory proteins and then used to immunize by reinoculation into the tumor carrier. Right side: Recombinant vaccinia virus expressing immunostimulatory proteins is inoculated directly into tumors to induce an immune response.

Die meisten Tumoren stellen für den Onkologen nach wir vor eine Herausforderung dar. Verschiedene therapeutische Ansaetze werden in der Klinik verwendet. Waehrend die Chirurgie, die Chemo-und die Radiotherapie lokal wirken, entfaltet die Immuntherapie eine systemische Wirkung, da die aktivierten Lymphozyten des Immunsystems im Koerper zirkulieren koennen. Diese Eigenschaft macht die Immuntherapie besonders attraktiv, da man theoretisch damit zum Beispiel auch klinisch noch nicht erfasste Metastasen therapeutisch erfassen kann. Ausserdem induziert man mit dieser Therapieform "Memoryzellen", da ein Teil der aktivierten Lymphozyten eine lange Lebensdauer hat und damit, ungleich der anderen Therapieformen, eine Langzeitwirkung erreicht werden kann. Bei der Immuntherapie geht man von der Annahme aus, dass Tumorzellen in ungenuegender Weise das Immunsystem stimulierten. Drei Ansaetze werden in diesem Projekt versucht, mit dem Ziel, diese Defizit zu umgehen:
1) Bei einer Immunantwort spielt die Produktion von Zytokinen, die als Wachstums- und Differenzierungsfaktoren auf die Lymphozyten wirken, eine wichtige Rolle. Mit einem viralen Vektorsystem, bei dem rekombinantes Vaccinia Virus verwendet wird, kann man im Tumorgewebe immunstimulierende Zytokine zur Expression bringen. Dies geschieht durch direkte Injektion von Virus in das Tumorgewebe. Dadurch versucht man im Tumor selber ein Milieu zu schaffen, dass eine starke Immunantwort gegenueber dem Tumor ermoeglicht.
2) Tumoren exprimieren tumorspezifische Antigene (Fremdproteine), die durch das Immunssystem potentiel erkannt werden konnen. Recombinante Vaccinia Viren, die diese charakterisierten tumorassoziierten Antigene exprimieren, koennen zur Impfung verwendet werden, um gegen diese Antigene und somit den Tumor eine Immunantwort auszuloesen.
3) Um eine gute Immunantwort auszuloesen, braucht es sogenannte antigen-praesentierende Zellen. Tumorzellen haben diese Eigenschaft der Antigenpraesentation nicht, aber man kann versuchen, durch das Einfuehren spezifischer Gene, aus Tumorzellen eine antigenpraesentierende Zelle zu machen. Dies geschieht durch Transfecktion der Tumorzellen mit einem Gen, genannt CIITA, das eine spezifische Klasse von Gewebeantigenen induziert und zur Expression an der Zelloberflaeche fuehrt. Ausserdem wird die Expression eines zweiten Proteins durch Gentransfer induziert. Dieses Protein, genannt B7, hilft als kostimulatorisches Protein, eine kraeftige Immunantwort zu induzieren.
Im diesem Projekt werden die Moeglichkeiten der beschriebenen Therapieansaetze zuerst in einem Mausmodel des Melanoms erforscht. Ziel aber ist es, die gemachten Erfahrungen in ein klinisches Protokol umzusetzen, um in Melanompatienten diese Therapieform zur Anwendung zu bringen.

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