Improved therapeutic efficacy of decorin expressing oncolytic adenovirus driven by cancer- and tumor microenvironment-specific promoter in pancreatic cancer

Abstract

Pancreatic cancer is a leading cause of cancer-related death. Desmoplastic pancreatic tumors exhibit excessive extracellular matrix (ECM) and are thus highly resistant to anticancer therapeutics, since the ECM restricts drug penetration and dispersion. Here, we designed and generated two hypoxia-responsive and cancer-specific hybrid promoters, HmTE and HEmT. Transgene expression driven by each hybrid promoter was markedly higher under hypoxic conditions than normoxic conditions. Moreover, HEmT-driven transgene expression was highly cancer-specific and was superior to that of HmTE-driven expression. A decorin-expressing oncolytic adenovirus (Ad; oHEmT-DCN) replicating under the control of the HEmT promoter induced more potent and highly cancer-specific cell death compared with its cognate control oncolytic Ad, which harbored the endogenous Ad E1A promoter. Moreover, oHEmT-DCN exhibited enhanced antitumor efficacy compared with both the clinically approved oncolytic Ad ONYX-015 and its cognate control oncolytic Ad lacking DCN. oHEmT-DCN treatment also attenuated the expression of major ECM components, such as collagen I/III, elastin, and fibronectin, and induced tumor cell apoptosis, leading to extensive viral dispersion within orthotopic pancreatic tumors and pancreatic cancer patient-derived tumor spheroids. Collectively, these findings demonstrate that oHEmT-DCN exhibits potent antitumor efficacy by degrading the ECM and inducing apoptosis in a multifunctional process. This process facilitates the dispersion and replication of oncolytic Ad, making it an attractive candidate for the treatment of aggressive and desmoplastic pancreatic cancer.

2013년 말 발표된 국가 암 등록통계 자료에 따르면, 췌장암은 한국인 암 사망원인의 5위로 조사된 암종 중 5년 생존율이 가장 낮은 5%, 중앙생존기간은 5개월에 불과한 가장 치명적 종양질환이다. 췌장암 환자의 90% 정도는 이미 근치적 수술을 시행할 수 없는 상태에서 발견되어 인체 암 중 예후가 가장 불량한 것으로 보고되었다. 또한 췌장암 환자의 항암제 반응률은 20% 내외에 불과할 뿐 아니라 조기에 항암제 내성이 발생하는 것으로 알려져 있다. 결합조직증식 반응(desmoplasia)이 활발하게 일어나는 췌장암 조직은 조직 내 증가된 저산소 조건과 과도하게 분포된 세포외기질(extracellular matrix)로 인해 종양의 악성도가 크게 증가될 뿐 아니라 약물의 침투 및 확산이 저해되고 이러한 췌장암 조직의 독특한 특성은 항암 치료제의 치료효과를 감소시키는 원인으로 작용한다. 그러므로 이러한 췌장암의 종양 미세환경을 표적할 수 있는 새로운 패러다임의 췌장암 치료제의 개발이 절실히 요구되는 실정이다. 따라서 본 연구에서는, 종양 특이적 살상 아데노바이러스의 저산소 조건에서의 복제능을 증가시키기 위해, 종양 살상 아데노바이러스인 Rd19-k35에 종양 선택성을 높이고 저산소 조건에서 바이러스의 복제를 조절할 수 있는 HmTE와 HEmT 프로모터를 도입하여 oHmTE(HmTE-Rd19-k35)와 oHEmT(HEmT-Rd19-k35)를 제작하였다. 췌장암 세포주에서 제작된 oHmTE와oHEmT의 암세포 살상능 및 바이러스 증식능을 검증하여, oHmTE에 비해 oHEmT가 우수한 프로모터 활성을 나타내는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로, oHEmT 바이러스에 세포고사를 유도하고 세포외기질을 분해할 수 있는 데코린(DCN)유전자를 삽입하여 oHEmT-DCN을 제작하고 이를 이용하여 췌장암 동소이식 동물모델 및 췌장암 환자 유래 종양조직에서 항종양 효과를 확인하였다. oHEmT-DCN를 투여한 그룹에서 현재 시판되고 있는 종양 특이적 살상 아데노바이러스인 ONYX-015 또는 대조군인 oHEmT를 투여한 그룹에 비해 현저히 향상된 항종양 효과가 나타남을 확인하였다. 뿐만 아니라 췌장암 조직에서 HEmT 프로모터에 의해 바이러스가 저산소 환경을 효과적으로 표적하여 저산소 조건에서의 바이러스 복제저하가 개선됨을 확인하였고, 종양조직 내에서 oHEmT-DCN에 의한 치료유전자 DCN의 발현 증가, TGF-β의 발현 감소, 바이러스 분포 및 복제 증가, 췌장암 조직 내의 세포외기질 분해 증가, 그리고 종양조직 특이적 세포고사의 증가 등을 통해 결과적으로 우수한 항종양 효과가 유도됨을 확인하였다. 따라서 데코린을 발현하는 종양 선택적 살상 아데노바이러스는 종양 미세환경의 저산소 조건 및 세포외기질을 효과적으로 표적하고 증대된 항종양 효과를 유도하므로 안전하고 효과적인 췌장암 치료제로 적용될 수 있을 것으로 사료된다.