Towards the generation of a safe lentiviral vector based vaccine

Thomas Ertveldt
Deze scriptie vergelijkt de prestaties van drie verschillende types lentivirale vectoren. De prestaties die worden geëvalueerd zijn de productiviteit, infectie-efficiëntie en het uitlokken van een immuun respons.

Dageraad van een lentiviraal vaccin

Dageraad van een lentiviraal vaccin

Nieuwste generatie lentivirale vectoren is veiliger
en opent perspectieven voor ontwikkeling van nieuwe vaccins

De scriptie “Towards the generation of a safe lentiviral vector based vaccine” leert dat de derde generatie lentivirale vectoren een veiliger alternatief is voor de huidige tweede generatie om vaccins aan te maken. De nieuwste generatie moet bovendien niet onderdoen in het opwekken van de immuunrespons. Zo blijkt uit de prestatievergelijking van de drie basistypes lentivirale vectoren (de tweede generatie, tweede generatie integrase deficiënte en derde generatie lentivirale vectoren). De studie toont ook aan dat het productieproces en de infectie-efficiëntie van de tweede generatie integrase deficiënte lentivirale vectoren en van de derde generatie verder moeten worden opgedreven.

 

Retro(virus) is terug

Vandaag de dag biedt de lentivirale vector, die afgeleid is van retrovirussen en omschreven kan worden als de neef van de gammaretrovirale vectoren, een nieuwe sprank van hoop voor gentherapie en vaccinontwikkelingen. Bij het aanbreken van het tweede millennium werd een onderzoek ondernomen om vijf patiënten met een immuunstoornis te genezen. In dit onderzoek werd gebruik gemaakt van afgeleide retrovirussen, genaamd gammaretrovirale vectoren, om de aandoening te herstellen in het genoom van de patiënt. Na behandeling kregen vier van de vijf patiënten hun immuniteit weer. Dit resultaat wekte hoop op maar het geluk was van korte duur. In januari 2003 werd vastgesteld dat één van de vier genezen patiënten leukemie had ontwikkeld [[1]]. Deze leukemie was het gevolg van de therapie waardoor het resultaat werd overschaduwd door twijfel en argwaan in het gebruik van retrovirale vectoren.

 

Veiligheidsrisico’s zijn spelbreker

De lentivirale vectoren werden twintig jaar geleden ontwikkeld om genen over te brengen in het genoom van een gastheer. Deze vectoren zijn zodanig ontworpen dat deze enkel tijdens het productieproces gevormd worden. De twee veiligheidsrisico’s die voorkomen bij gammaretrovirale vectoren, worden gedeeld met lentivirale vectoren. Het eerste veiligheidsrisico is namelijk de vorming van replicatiecompetente virussen, dit zijn lentivirale vectoren die in staat zijn om zich buiten het productieproces voort te planten. Het tweede veiligheidsrisico is de kans op insertionele mutagenese, wat betekent dat er een woekering van cellen kan ontstaan door het gebruik van de lentivirale vector, zoals in 2003 werd vastgesteld bij retrovirale vectoren. Ook al is er bij de lentivirale vectoren tot vandaag nog geen enkel voorval opgemerkt, toch blijft het vitaal om de veiligheid te garanderen. Stapsgewijze aanpassingen aan de lentivirale vector resulteerden in het ontstaan van nieuwe generaties die aan de hoogste veiligheidseisen beantwoorden.

 

Lentivirale vectoren bieden toekomst

Ten opzichte van andere vectoren, hebben de lentivirale vectoren nog belangrijke troeven zoals een grote capaciteit om genen over te dragen, geen voorafbestaande afweer van de gastheer (de mens in dit geval), de flexibiliteit in de doelgerichtheid en de mogelijkheid om zowel delende als niet-delende cellen te infecteren. Bovendien, hebben lentivirale vectoren minder neiging om een woekering van cellen uit te lokken dan gamma retrovirale vectoren [[2],[3]].

 

Sterkere generaties bieden zich aan

Vandaag wordt de tweede generatie lentivirale vector gebruikt in tal van laboratoria en biedt deze een zekere veiligheid op onderzoeksniveau. Om de tweede generatie buiten het labo te gebruiken moet de veiligheid echter verder worden verbeterd. Dergelijke ontwikkelingen hebben geleid tot het ontstaan van enerzijds de integrase deficiënte lentivirale vector waarbij de kans op insertionele mutagenese verminderd wordt. Anderzijds is de derde generatie lentivirale vector ontwikkeld waarbij de kans op vorming van replicatiecompetente virussen verder beperkt wordt.

Volgens peilingen [[4]] maken 114 onderzoeken gebruik van lentivirale vectoren. Onderstaande figuur detailleert de doeleinden van deze onderzoeken.

Uit de figuur blijkt dat lentivirale vectoren het meest worden toegepast voor kankeronderzoek en het ontwikkelen van een kankervaccin. Verder worden lentivirale vectoren ook aangewend voor gentherapie.

 

Vaccin

Een toepassing van lentivirale vectoren, die in deze scriptie aan bod komt, is het uitlokken van een immuunrespons tegen een bepaald antigen. Dit kan uiteindelijk leiden tot het ontstaan van een lentiviraal vaccin. Uit het gevoerde laboratoriumonderzoek blijkt dat de derde generatie niet moet onderdoen in het opwekken van de immuunrespons ten opzichte van de tweede generatie, Dit biedt mooie vooruitzichten.

De vergelijkende prestatiestudie tussen de basistypes lentivirale vectoren die in de scriptie werd gerealiseerd, is belangrijk om de productie, de infectie-efficiëntie en opwekken van een immuunrespons verder te doen evolueren voor medische toepassingen. Onderstaande tabel synthetiseert de verschillende resultaten van de prestatiestudie. Een aandachtspunt hierbij is dat de tweede generatie integrase deficiënte lentivirale vectoren en de derde generatie vandaag tot maar een vierde produceren van de opbrengst van de tweede generatie lentivirale vectoren. Het opdrijven van de productie is een belangrijk maar haalbaar toekomstscenario.

De verhoogde veiligheid van derde generatie lentivirale vectoren kan alvast elke argwaan of twijfel van haar voorgangers (gammaretrovirale en vorige generaties lentivirale vectoren) wegnemen om veilige gentherapeutische middelen of vaccins te ontwikkelen.

Artikel Informatie:

Titel:                       Dageraad van een lentiviraal vaccin

Ondertitel:             Nieuwste generatie lentivirale vectoren is veiliger en opent perspectieven voor ontwikkeling van nieuwe vaccins

Auteur:                                  Thomas Ertveldt, professionele bachelor Biomedische Laboratoriumtechnologie (BMLT)

Erasmushogeschool Brussel, Departement Gezondheidszorg, Laarbeeklaan 121, 1090 Jette

Bachelorproef:    “Towards the generation of a safe lentiviral vector based vaccine”

Stageplaats:         Researchgroup Vrije Universiteit Brussel (VUB): Laboratory for Molecular and Cellular Therapy

VUB, Faculteit Geneeskunde en Farmacie, Laarbeeklaan 103, Gebouw E – 1090 Jette

Jaar:                      2015 - 2016

Indiendatum:       12 juli 2016

 

[1] Hacein-Bey-Abina, S., von Kalle, C., Schmidt, M., Le Deist, F., Wulffraat, N., McIntyre, E., … Fischer, A. (2003). A serious adverse event after successful gene therapy for X-linked severe combined immunodeficiency. The New England Journal of Medicine, 348(3), 255–6. http://doi.org/10.1056/NEJM200301163480314

 

[2] Montini, E., Cesana, D., Schmidt, M., Sanvito, F., Bartholomae, C. C., Ranzani, M., … Naldini, L. (2009). The genotoxic potential of retroviral vectors is strongly modulated by vector design and integration site selection in a mouse model of HSC gene therapy. The Journal of Clinical Investigation, 119(4), 964–975. http://doi.org/10.1172/JCI37630

 

[3] Montini, E., Cesana, D., Schmidt, M., Sanvito, F., Ponzoni, M., Bartholomae, C., … Naldini, L. (2006). Hematopoietic stem cell gene transfer in a tumor-prone mouse model uncovers low genotoxicity of lentiviral vector integration. Nature Biotechnology, 24(6), 687–96. http://doi.org/10.1038/nbt1216

 

[4] Wiley Online Library. (2015). Geraadpleegd op Maart 1, 2016, via http://www.wiley.com/legacy/wileychi/genmed/clinical/

Bibliografie

Adachi, K., & Tamada, K. (2015). Immune checkpoint blockade opens an avenue of cancer immunotherapy with a potent clinical efficacy. Cancer Science, 106(8), 945–50. http://doi.org/10.1111/cas.12695

Addgene. (2015). Viral Vectors - An Introduction. In Plasmids 101: A Desktop Resource (2nd ed., pp. 64–73). Addgene. Retrieved from http://info.addgene.org/download-addgenes-ebook-plasmids-101-1st-edition

American Type Culture Collection (ATCC). (2014). 293T [HEK 293T] ATCC ® CRL-3216TM Homo sapiens kidney. Retrieved May 12, 2016, from http://www.lgcstandards-atcc.org/Products/All/CRL-3216.aspx

Argyros, O., Wong, S.-P., & Harbottle, R. P. (2011). Non-viral episomal modification of cells using S/MAR elements. Expert Opinion on Biological Therapy, 11(9), 1177–91. http://doi.org/10.1517/14712598.2011.582035

Beijerinck, M. W. (1898). Concerning a contagium vivum fluidum as cause of the spot disease of tobacco leaves. Phytopathological Classics, 7.

Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Stryer, L. (2002). Transcription Is Catalyzed by RNA Polymerase. W H Freeman. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22546/

Bonehill, A., Van Nuffel, A. M. T., Corthals, J., Tuyaerts, S., Heirman, C., François, V., … Thielemans, K. (2009). Single-step antigen loading and activation of dendritic cells by mRNA electroporation for the purpose of therapeutic vaccination in melanoma patients. Clinical Cancer Research : An Official Journal of the American Association for Cancer Research, 15(10), 3366–75. http://doi.org/10.1158/1078-0432.CCR-08-2982

Breckpot, K., Dullaers, M., Bonehill, A., van Meirvenne, S., Heirman, C., de Greef, C., … Thielemans, K. (2003). Lentivirally transduced dendritic cells as a tool for cancer immunotherapy. The Journal of Gene Medicine, 5(8), 654–67. http://doi.org/10.1002/jgm.400

Breckpot, K., Emeagi, P., Dullaers, M., Michiels, A., Heirman, C., & Thielemans, K. (2007). Activation of immature monocyte-derived dendritic cells after transduction with high doses of lentiviral vectors. Human Gene Therapy, 18(6), 536–46. http://doi.org/10.1089/hum.2007.006

Breckpot, K., Escors, D., Arce, F., Lopes, L., Karwacz, K., Van Lint, S., … Collins, M. (2010). HIV-1 lentiviral vector immunogenicity is mediated by Toll-like receptor 3 (TLR3) and TLR7. Journal of Virology, 84(11), 5627–36. http://doi.org/10.1128/JVI.00014-10

Bukrinsky, M. I., Haggerty, S., Dempsey, M. P., Sharova, N., Adzhubel, A., Spitz, L., … Stevenson, M. (1993). A nuclear localization signal within HIV-1 matrix protein that governs infection of non-dividing cells. Nature, 365(6447), 666–9. http://doi.org/10.1038/365666a0

Charles A Janeway, J., Travers, P., Walport, M., & Shlomchik, M. J. (2001). The course of the adaptive response to infection. Garland Science. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK27125/

Compton, A. A., Malik, H. S., & Emerman, M. (2013). Host gene evolution traces the evolutionary history of ancient primate lentiviruses. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences, 368(1626), 20120496. http://doi.org/10.1098/rstb.2012.0496

 

 

Cronin, J., Zhang, X.-Y., & Reiser, J. (2005). Altering the tropism of lentiviral vectors through pseudotyping. Current Gene Therapy, 5(4), 387–98. Retrieved from http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=1368960&tool=…

D’Herelle, F. (1917). Sur un microbe invisible antagoniste des bacilles dysentériques. Comptes rendus Acad Sci Paris.

Dimmock, N. J., Easton, A. J., & Leppard, K. N. (2007). Introduction to Modern Virology (6th ed.). Wiley-Blackwell.

Dufait, I., Liechtenstein, T., Lanna, A., Bricogne, C., Laranga, R., Padella, A., … Escors, D. (2012). Retroviral and lentiviral vectors for the induction of immunological tolerance. Scientifica, 2012. http://doi.org/10.6064/2012/694137

Dullaers, M., Breckpot, K., Van Meirvenne, S., Bonehill, A., Tuyaerts, S., Michiels, A., … Thielemans, K. (2004). Side-by-side comparison of lentivirally transduced and mRNA-electroporated dendritic cells: implications for cancer immunotherapy protocols. Molecular Therapy : The Journal of the American Society of Gene Therapy, 10(4), 768–79. http://doi.org/10.1016/j.ymthe.2004.07.017

Durand, S., & Cimarelli, A. (2011). The inside out of lentiviral vectors. Viruses, 3(2), 132–59. http://doi.org/10.3390/v3020132

Eggermont, L. J., Paulis, L. E., Tel, J., & Figdor, C. G. (2014). Towards efficient cancer immunotherapy: advances in developing artificial antigen-presenting cells. Trends in Biotechnology, 32(9), 456–65. http://doi.org/10.1016/j.tibtech.2014.06.007

Emeagi, P. U., Van Lint, S., Goyvaerts, C., Maenhout, S., Cauwels, A., McNeish, I. A., … Breckpot, K. (2012). Proinflammatory characteristics of SMAC/DIABLO-induced cell death in antitumor therapy. Cancer Research, 72(6), 1342–52. http://doi.org/10.1158/0008-5472.CAN-11-2400

Friedmann, T., & Roblin, R. (1972). Gene therapy for human genetic disease? Science (New York, N.Y.), 175(4025), 949–55. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/5061866

Garmory, H. S., Brown, K. A., & Titball, R. W. (2003). DNA vaccines: improving expression of antigens. Genetic Vaccines and Therapy, 1(1), 2. http://doi.org/10.1186/1479-0556-1-2

Goyvaerts, C., Bricogne, C., Escors, D., & Breckpot, K. (2012). Targeted Lentiviral Vectors : Current Applications and Future Potential. In F. M. Molina (Ed.), Gene Therapy (2nd ed.). InTech. http://doi.org/10.5772/52770

Goyvaerts, C., Broos, K., Escors, D., Heirman, C., Raes, G., De Baetselier, P., … Breckpot, K. (2015). The transduction pattern of IL-12-encoding lentiviral vectors shapes the immunological outcome. European Journal of Immunology, 45(12), 3351–61. http://doi.org/10.1002/eji.201545559

Goyvaerts, C., Kurt, D. G., Van Lint, S., Heirman, C., Van Ginderachter, J. A., De Baetselier, P., … Breckpot, K. (2014). Immunogenicity of targeted lentivectors. Oncotarget, 5(3), 704–15. http://doi.org/10.18632/oncotarget.1680

Guan, B., Wang, T.-L., & Shih, I.-M. (2011). ARID1A, a factor that promotes formation of SWI/SNF-mediated chromatin remodeling, is a tumor suppressor in gynecologic cancers. Cancer Research, 71(21), 6718–27. http://doi.org/10.1158/0008-5472.CAN-11-1562

Ivanovsky, D. (1892). Concerning the mosaic disease of the tobacco plant. Phytopathological Classics, 7, 67–70.

 

 

Ivanovsky, D. (1903). Ueber die Mosaikkrankheit der Tabakspflanze. (Vol. 13, pp. 1–41).

Lewis, P. F., & Emerman, M. (1994). Passage through mitosis is required for oncoretroviruses but not for the human immunodeficiency virus. Journal of Virology, 68(1), 510–6. Retrieved from http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=236313&tool=p…

Lumniczky, K., & Sáfrány, G. (2006). Cancer gene therapy: combination with radiation therapy and the role of bystander cell killing in the anti-tumor effect. Pathology Oncology Research : POR, 12(2), 118–24. http://doi.org/PAOR.2006.12.2.0118

Lustig, A., & Levine, A. J. (1992). One hundred years of virology. Journal of Virology, 66(8), 4629–31. Retrieved from http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=241285&tool=p…

Mahon, M. (2011). Vectors bicistronically linking a gene of interest to the SV40 large T antigen in combination with the SV40 origin of replication enhance transient protein expression and luciferase reporter activity. BioTechniques, 51(2), 119–28. http://doi.org/10.2144/000113720

Mankertz, A., Domingo, M., Folch, J. M., LeCann, P., Jestin, A., Segalés, J., … Soike, D. (2000). Characterisation of PCV-2 isolates from Spain, Germany and France. Virus Research, 66(1), 65–77. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10653918

Mann, R., Mulligan, R. C., & Baltimore, D. (1983). Construction of a retrovirus packaging mutant and its use to produce helper-free defective retrovirus. Cell, 33(1), 153–9. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/6678608

Mátrai, J., Chuah, M. K. L., & VandenDriessche, T. (2010). Recent advances in lentiviral vector development and applications. Molecular Therapy : The Journal of the American Society of Gene Therapy, 18(3), 477–90. http://doi.org/10.1038/mt.2009.319

Movahedi, K., Schoonooghe, S., Laoui, D., Houbracken, I., Waelput, W., Breckpot, K., … Van Ginderachter, J. A. (2012). Nanobody-based targeting of the macrophage mannose receptor for effective in vivo imaging of tumor-associated macrophages. Cancer Research, 72(16), 4165–77. http://doi.org/10.1158/0008-5472.CAN-11-2994

Odegard, J. M., Kelley-Clarke, B., Tareen, S. U., Campbell, D. J., Flynn, P. A., Nicolai, C. J., … Robbins, S. H. (2015). Virological and preclinical characterization of a dendritic cell targeting, integration-deficient lentiviral vector for cancer immunotherapy. Journal of Immunotherapy (Hagerstown, Md. : 1997), 38(2), 41–53. http://doi.org/10.1097/CJI.0000000000000067

Pauwels, K., Gijsbers, R., Toelen, J., Schambach, A., Willard-Gallo, K., Verheust, C., … Herman, P. (2009). State-of-the-art lentiviral vectors for research use: risk assessment and biosafety recommendations. Current Gene Therapy, 9(6), 459–74. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20021330

Philippe, N., Legendre, M., Doutre, G., Couté, Y., Poirot, O., Lescot, M., … Abergel, C. (2013). Pandoraviruses: amoeba viruses with genomes up to 2.5 Mb reaching that of parasitic eukaryotes. Science (New York, N.Y.), 341(6143), 281–6. http://doi.org/10.1126/science.1239181

Pincha, M., Sundarasetty, B. S., Salguero, G., Gutzmer, R., Garritsen, H., Macke, L., … Stripecke, R. (2012). Identity, potency, in vivo viability, and scaling up production of lentiviral vector-induced dendritic cells for melanoma immunotherapy. Human Gene Therapy Methods, 23(1), 38–55. http://doi.org/10.1089/hgtb.2011.170

Seelamgari, A., Maddukuri, A., Berro, R., de la Fuente, C., Kehn, K., Deng, L., … Kashanchi, F. (2004). Role of viral regulatory and accessory proteins in HIV-1 replication. Frontiers in Bioscience : A Journal and Virtual Library, 9, 2388–413. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15353294

Springgate, C. F., Battula, N., & Loeb, L. A. (1973). Infidelity of DNA synthesis by reverse transcriptase. Biochemical and Biophysical Research Communications, 52(2), 401–6. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/4123058

Svarovskaia, E. S., Cheslock, S. R., Zhang, W.-H., Hu, W.-S., & Pathak, V. K. (2003). Retroviral mutation rates and reverse transcriptase fidelity. Frontiers in Bioscience : A Journal and Virtual Library, 8, d117–34. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12456349

Tareen, S. U., Nicolai, C. J., Campbell, D. J., Flynn, P. A., Slough, M. M., Vin, C. D., … Robbins, S. H. (2013). A Rev-Independent gag/pol Eliminates Detectable psi-gag Recombination in Lentiviral Vectors. BioResearch Open Access, 2(6), 421–430. http://doi.org/10.1089/biores.2013.0037

Vogt, V. (1997). Retroviral Virions and Genomes. Cold Spring Harbor Laboratory Press. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK19454/

Wanisch, K., & Yáñez-Muñoz, R. J. (2009). Integration-deficient lentiviral vectors: a slow coming of age. Molecular Therapy : The Journal of the American Society of Gene Therapy, 17(8), 1316–32. http://doi.org/10.1038/mt.2009.122

Watanabe, S., & Temin, H. M. (1983). Construction of a helper cell line for avian reticuloendotheliosis virus cloning vectors. Molecular and Cellular Biology, 3(12), 2241–9. Retrieved from http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=370095&tool=p…

Wiley Online Library. (2015). Retrieved March 1, 2016, from http://www.wiley.com/legacy/wileychi/genmed/clinical/

Zufferey, R., Dull, T., Mandel, R. J., Bukovsky, A., Quiroz, D., Naldini, L., & Trono, D. (1998). Self-inactivating lentivirus vector for safe and efficient in vivo gene delivery. Journal of Virology, 72(12), 9873–80. Retrieved from http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=110499&tool=p…

Zwolińska, K. (2006). [Retroviruses-derived sequences in the human genome. Human endogenous retroviruses (HERVs)]. Postȩpy Higieny I Medycyny Doświadczalnej (Online), 60, 637–52. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17199106