Personalized Immuno-/Virotherapy of Colorectal Carcinoma (CRC) using CRC organoids as a model

Abstract

As demographic change, especially in the western world, is marked by an everdecreasing birth rate as well as an ever-growing life expectancy, our society becomes increasingly “old”. As a result, cancer incidence, one of them being colorectal cancer (CRC), increases and consequently becomes even more relevant for public health in the future. As we learn more about the molecular mechanisms behind cancer, we have to acknowledge that this disease has a rather heterogenous, even a very individual pathogenesis. Consequently, a “one size fits all”- approach regarding an effective therapy falls short. To achieve this goal of personalized medicine, on the one hand, a representative as well as practical tumor cell model has to be employed. Organoids, especially patient derived tumor organoids (PDTOs) could be a promising tumor cell model as they harbor individual molecular properties of each patient and grow in a threedimensional manner, in contrast to conventional cell models. Furthermore, immunotherapy seems to be a promising approach for cancer therapy. This includes virotherapy, which makes use of the oncolytic properties of viruses, which are further enhanced through genetic engineering. These oncolytic viruses selectively infect neoplastic cells, replicate within them and finally destroy them. This destruction and subsequent release of cell components leads to an immunogenic systemic anti-tumor response. All of this is achieved while also sparing normal cells, which makes this therapy approach even more elegant. The aim of this thesis was to utilize PDTOs as a novel tumor cell model to create individualized “virograms”, determining the best oncolytic virus for each patient and thus creating a personalized approach regarding clinical usage. Firstly, it could be shown, that infection as well as replication of oncolytic viruses is possible in CRC-PDTOs. This has to date not been tested before and shows, that further experiments regarding oncolytic virotherapy for CRCs can be conducted using PDTOs in the future. Furthermore, a personalized “virogram” for each PDTO was created, using a wide range of different oncolytic viruses. Interestingly, all PDTOs tested were most 119 susceptible to combination therapy of suicide-gene enhanced oncolytic viruses and the pro-drug 5-FC, showing significant viability reductions. Nonetheless, they also showed a heterogenous susceptibility regarding the other OVs. So in summary, PDTOs showed a difference in tumor cell viability reduction between different OVs but were still most susceptible when confronted with 5-FU. When thinking about applying this in the clinical setting, more experiments regarding safety concerns, a more efficient culture approach as well as in vivo efficiency are needed. Nonetheless, taking all the aforementioned considerations into account, oncolytic virotherapy, especially when tested with the usage of PDTOs, seems to be a promising approach for cancer therapy in the future.

Da der demografische Wandel, insbesondere in der westlichen Welt, durch eine immer niedrigere Geburtenrate und eine immer höhere Lebenserwartung gekennzeichnet ist, wird unsere Gesellschaft immer „älter“. Infolgedessen nimmt die Häufigkeit von Krebserkrankungen, darunter auch Darmkrebs, zu und wird somit in Zukunft noch entscheidender für die öffentliche Gesundheit. In dem Maße, wie wir mehr über die molekularen Mechanismen von Krebs erfahren, müssen wir anerkennen, dass diese Krankheit eine recht heterogene, ja sogar sehr individuelle Pathogenese aufweist. Folglich greift ein einheitlicher Ansatz für eine wirksame antitumorale Therapie zu kurz. Um das Ziel einer personalisierten Onkologie zu erreichen, muss einerseits ein repräsentatives und andererseits ein praktikables Zellmodell verwendet werden. Organoide, insbesondere „patient derived tumor organoids“ (PDTOs), könnten ein vielversprechendes Zellmodell sein, da sie im Gegensatz zu konventionellen Zellmodellen individuelle molekulare Eigenschaften des jeweiligen Patienten aufweisen und dreidimensional wachsen können. Außerdem scheint die Immuntherapie ein vielversprechender Ansatz für die Krebstherapie zu sein. Dazu gehört ebenso die Virotherapie, welche sich die onkolytischen Eigenschaften von Viren zunutze macht, die durch Genmodifikation noch zusätzlich verstärkt werden. Diese onkolytischen Viren infizieren selektiv neoplastische Zellen, vermehren sich in ihnen und lysieren sie schließlich. Diese Lyse und die daraus resultierende Freisetzung von Zellbestandteilen führt zu einer immunogenen systemischen Anti-Tumor-Reaktion. All dies geschieht unter Schonung der normalen Zellen, was diesen biologischen Therapieansatz noch eleganter macht. Das Ziel dieser Arbeit war es, PDTOs als Zellmodell zu verwenden, um individualisierte „Virogramme“ zu erstellen, das effizienteste onkolytische Virus für jeden Patienten zu bestimmen und so einen personalisierten Ansatz für den klinischen Einsatz der Virotherapie zu schaffen. Zunächst konnte gezeigt werden, dass sowohl die Infektion als auch die Replikation von onkolytischen Viren in CRC-PDTOs möglich ist. Dies wurde bisher noch 121 nicht getestet und zeigt, dass weitere Experimente zur onkolytischen Virotherapie für CRCs in Zukunft mit PDTOs durchgeführt werden können. Darüber konnte für jedes PDTO ein personalisiertes „Virogram“ erstellen werden, indem eine große Auswahl an verschiedenen onkolytischen Viren zum Einsatz kam. Interessanterweise reagierten alle getesteten PDTOs am empfindlichsten auf eine Kombinationstherapie aus Suizidgen-verstärkten onkolytischen Viren und der Pro-Drug 5-FC und zeigten eine deutliche Verringerung des Zellüberlebens. Allerdings präsentierten sie auch eine heterogene Anfälligkeit gegenüber den anderen OVs. Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass PDTOs einen Unterschied in der Verringerung der Zellviabilität zwischen den verschiedenen OVs zeigten, aber immer noch am empfindlichsten waren, wenn sie nach intrazellulärer Konvertierung von 5-FC mit dem Chemotherapeutikum 5-FU konfrontiert wurden. Für die klinische Anwendung sind weitere Experimente in Bezug auf Sicherheitsaspekte, einen effizienteren Kulturansatz und die in-vivo-Effizienz erforderlich. Nichtsdestotrotz scheint die onkolytische Virotherapie unter Berücksichtigung aller oben genannten Überlegungen ein vielversprechender Ansatz für die zukünftige Krebsforschung zu sein, insbesondere wenn sie mit PDTOs präinterventionell getestet wird.