Hu, Chenxi;Chen, Zheng;Zhao, Wenjun;Wei, Lirong;Zheng, Yanwen;He, Chao;Zeng, Yan;Yin, Bin
Biomolecules & Therapeutics
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v.22
no.2
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pp.114-121
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2014
Refractoriness of acute myeloid leukemia (AML) cells to chemotherapeutics represents a major clinical barrier. Suicide gene therapy for cancer has been attractive but with limited clinical efficacy. In this study, we investigated the potential application of herpes simplex virus thymidine kinase/ganciclovir (HSV-TK/GCV) based system to inhibit chemoresistant AML cells. We first generated Ara-C resistant K562 cells and doxorubicin-resistant THP-1 cells. We found that the HSV-TK/GCV anticancer system suppressed drug resistant leukemic cells in culture. Chemoresistant AML cell lines displayed similar sensitivity to HSV-TK/GCV. Moreover, HSV-TK/GCV killing of leukemic cells was augmented to a mild but significant extent by all-trans retinoic acid (ATRA) with concomitant upregulation of Connexin 43, a major component of gap junctions. Interestingly, HSV-TK/GCV killing was enhanced by expression of vesicular stomatitis virus G glycoprotein (VSV-G), a fusogenic membrane protein, which also increased leukemic cell fusion. Co-culture resistant cells expressing HSV-TK and cells stably transduced with VSV-G showed that expression of VSV-G could promote the bystander killing effect of HSV-TK/GCV. Furthermore, combination of HSV-TK/GCV with VSV-G plus ATRA produced more pronounced antileukemia effect. These results suggest that the HSV-TK/GCV system in combination with fusogenic membrane proteins and/or ATRA could provide a strategy to mitigate the chemoresistance of AML.
Background : The antitumor effects of herpes simplex virus thymidine kinase (HSV-tk) and ganciclovir (GCV) strategies for cancer gene therapy have a the following advantages : 1) a direct cytotoxicity to HSV-tk modified cancer cells by GCV 2) a cell death by the local transfer of toxic metabolites from the HSV-tk modified cells to nearby unmodified tumor cells (bystander effect), and 3) in vivo bystander effect such as antitumor-immunity. Retroviral and adenoviral sequences can silence transgene expression in cells and mice. In this study, we investigated the above described advantages of HSV-tk/GCV strategy in Lewis lung cell and mouse lung cancer model using retroviral vector and adenoviral vector. Also, we observed whether the expression of a silenced gene can be reactivated by treating cells with butyrate. Methods : Retrovirus-HSV-tk and adenovirus-HSV-tk vectors were used for the transduction of Lewis lung carcinoma (LLC) cells. The change of HSV-tk expression by butyrate was measured by Western blol The antitumor activities containing bystander effect were observed in vivo (by MTT assay) and in vivo tumor models of various combinations of LLC and LLC-tk. Results : 1. Butyrate induced the enhancement of HSV-tk expression from adenovirally transduced cells but not from retrovirally transduced cells. 2. Both retrovirus-HSV-tk and adenovirus-HSV-tk vectors with GCV treatment were effective for killing of tumor cell in vitro and suppression of LLC tumorigenicity. Bystander effect was responsible for killing of mixture of LLC-tk and LLC in vitro and in vivo-tumorigenicity model. Conclusion : Butyrate could augment adenovirus-mediated HSV -tk gene expression. Cancer gene therapy with HSV-tk suicide gene by retroviral and adenoviral vector seems to be an effective approach for lung cancer therapy.
Herpes simplex virus (HSV) thymidine kinase (TK) has been widely used for suicidal gene therapy in combination with nucleoside analogs such as ganciclovir (GCV). The use of HSV-TK is limited due to the side effect of GCV at high concentrations. Previous studies showed that stable transfectants of mutant HSV-TK with enhanced affinity to GCV were killed at lower GCV concentrations. In this study, we tested whether mutant HSV-TK can provide enhanced suicidal effect when transiently transfected with Epstein-Barr virus (EBV)-based plasmid. EBV-based plasmid which contains OriP and EBNA-1 sequence is well known for a stable episomal maintenance in human cells. Optimal transfection condition was assessed for SNU-638 gastric cancer cell line using polyetylnimine (PEI). Maximum transfection efficiency was achieved when DNA:PEI was 1:3 (w/v). Cytotoxicities of mutant and wild type HSV-TK were compared before and after partially selecting transfected cells. The cells were sensitive to $100\;{\mu}g/ml$ hygromycin. Following GCV treatment, more cells were killed after hygromycin selection than before selection. The mutant HSV-TK showed enhanced cytotoxicity compared with the wild type HSV-TK. Our results suggest that the EBV-based plasmid encoding mutant HSV-TK may be useful to treat the diseases caused by uncontrolled cell proliferation such as cancer and rheumatoid arthritis.
Purpose : Selective introduction of genes conferring chemosensitivity into proliferating tumor cells may be used to treat cancer. We first investigated the bystander effect of retrovirus-mediated gene transfer of herpes simplex virus thymidine kinase(HSV-TK) gene to murine neuroblstoma cell line(neuro-2a) in vitro and in vivo. Second, we examined the mechanism and its enhancement of the bystander effect in murine neuroblastoma. Methods : To investigate the bystander effect, we studied tumor growth and survival time after HSV-TK/ganciclovir(GCV) treatment in a syngenic A/J mouse neuroblastoma model by mixing various ratios of HSV-TK-expressing neuro-2a cells with wild type neuro-2a cells followed by GCV treatment. To investigate the mechanism of the bystander effect in murine neuroblastoma, immunohistochemistry using connexin 43, CD4 and CD8-specific monoclonal antibodies was analyzed. We studied whether IL-2-secreting neuro-2a cells(neuro-2a/IL-2) would potentiate the bystander effect. Results : A strong bystander effect was observed in vitro and in vivo. The bystander effect in murine neuroblastoma was dependent on the immune response rather than connexin-mediated gap junction. Neuro-2a/IL-2 treatment enhanced the bystander effect in the HSV-TK/GCV system in murine neuroblastoma model. Conclusion : We conclude that the bystander effect in murine neuroblastoma depends on immune response and is enhanced by neuro-2a/IL-2.
Kim, Eun-Jung;Choi, Tae-Hyun;Ahn, Soon-Hyuk;Kim, Byoung-Soo;Park, Hyun;Cheon, Gi-Jeong;Rhee, Hak-June;An, Gwang-Il
Nuclear Medicine and Molecular Imaging
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v.43
no.5
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pp.478-486
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2009
Purpose: 5-iododeoxyuridine analogues have been exclusively developed for the potential antiviral and antitumor therapeutic agents. In this study, we synthesized carbocyclic radioiododeoxyuridineanalogue (ddIVDU) and carbocyclic intermediate as efficient carbocyclic radiopharmaceuticals. Materials and Methods: The synthesis is LAH reduction, hetero Diels-Alder reaction as key reactions including Pd(0)-catalyzed coupling reaction together with organotin. MCA-RH7777 (MCA) and MCA-tk (HSV1-tk positive) cells were treated with various concentration of carbocyclic ddIVDU, and GCV. Cytotoxicity was measured by the MTS methods. For in vitro uptake study, MCA and MCA-tk cells were incubated with 1uCi of [$^{125}I$]carbocyclic ddIVDU. Accumulated radioactivity was measured after various incubation times. Results: The synthesis of ddIVDU and precursor for radioiodination were achieved from cyclopentadiene in good overall yield, respectively. The radioiododemetallation for radiolabeling gave more than 80% yield with > 95% radiochemical purity. GCV was more toxic than carbocyclic ddIVDU in MCA-tk cells. Accumulation of [$^{125}I$]carbocyclic ddIVDU was higher in MCA-tk cells than MCA cells. Conclusion: Biological data reveal that ddIVDU is stable in vitro, less toxic than ganciclovir (GCV), and selective in HSV1-tk expressed cells. Thus, this new carbocyclic nucleoside, referred to in this paper as carbocyclic 2',3'-didehydro-2',3'-dideoxy-5- iodovinyluridine (carbocyclic ddIVDU), is a potential imaging probe for HSV1-tk.
Human mesenchymal stem cells (MSCs) are multipotent stem cells that have been intensively studied as therapeutic tools for a variety of disorders. To enhance the efficacy of MSCs, therapeutic genes are introduced using retroviral and lentiviral vectors. However, serious adverse events (SAEs) such as tumorigenesis can be induced by insertional mutagenesis. We generated lentiviral vectors encoding the wild-type herpes simplex virus thymidine kinase (HSV-TK) gene and a gene containing a point mutation that results in an alanine to histidine substitution at residue 168 (TK(A168H)) and transduced expression in MSCs (MSC-TK and MSC-TK(A168H)). Transduction of lentiviral vectors encoding the TK(A168H) mutant did not alter the proliferation capacity, mesodermal differentiation potential, or surface antigenicity of MSCs. The MSC-TK(A168H) cells were genetically stable, as shown by karyotyping. MSC-TK(A168H) responded to ganciclovir (GCV) with an half maximal inhibitory concentration (IC50) value 10-fold less than that of MSC-TK. Because MSC-TK(A168H) cells were found to be non-tumorigenic, a U87-TK(A168H) subcutaneous tumor was used as a SAE-like condition and we evaluated the effect of valganciclovir (vGCV), an oral prodrug for GCV. U87-TK(A168H) tumors were more efficiently ablated by 200 mg/kg vGCV than U87-TK tumors. These results indicate that MSC-TK(A168H) cells appear to be pre-clinically safe for therapeutic use. We propose that genetic modification with HSV-TK(A168H) makes allogeneic MSC-based ex vivo therapy safer by eliminating transplanted cells during SAEs such as uncontrolled cell proliferation.
Background: Many types of cancer become resistant to current chemotherapeutic and radiotherapeutic intervention. To overcome this situation application of gene therapy by the introduction of suicide genes followed by their prodrugs may be promising. A viral enzyme, Herpes simplex thymidine kinase (HSV-tk), which converts ganciclovir from an inactive prodrug to a cytotoxic agent by phosphorylation, are being actively investigated for use in gene therapy for cancer. The purpose of this study was to determine whether combining prodrug-activating gene therapy and irradiation might result in enhanced antitumor effects. Methods: The HSV-tk gene was cloned into the retroviral vector, pLXSN and established the clones producing retroviruses carrying the HSV-tk gene. The carcinoma cell line, HCT116 and Huh-7 were transduced with high-titer recombinant retroviruses. These cell lines were treated with ganciclovir before or after irradiation for the defining combinational effect of suicide gene therapy and radiotherapy. Results: The titers of cloned PA3 17 amphotropic retroviruses ranged from 4 to 6 X $10^6CFU/ml4$. After selectional periods, the expression of HSV-tk was confirmed by reverse-transcriptase polymerase chain reaction (RT-PCR). The growth of cells expressing HSV-tk was inhibited as increase of GCV dose after 48 hr and the growth inhibitory effect of GCV was much higher after 72 hr. When the cells transduced with HSV-tk gene were exposed to radiation, the growth inhibitory effect of GCV was significantly increased, as compared with non-transduced parental cells. Conclusions: The results suggest that the addition of HSV-tk gene therapy to standard radiation therapy may improve the effectiveness of treatment for solid tumors.
Gene therapy with nonviral vectors using the suicide gene/prodrug activating system of herpes simplex virus type-1 thymidine kinase (HSV1-TK)/ganciclovir (GCV) is inefficient in killing malignant tumor cells due to two major factors: (a) an unsatisfactory bystander effect; (b) short-lived expression of the protein. To study the capacity of the protein transduction domain (PTD) of HIV-1 TAT protein to enhance HSV1-TK/GCV cancer gene therapy, we constructed three fusion proteins TAT-TK, TK-TAT and TK. TAT-TK retained as much enzyme activity as TK, whereas that of TK-TAT was much lower. TAT-TK can enter HepG2 cells and much of it is translocated to the nucleus. The transduced HepG2 cells are killed by exogenously added GCV and have bystander effects on untransduced HepG2 cells. Most importantly, the introduced recombinant protein is stable and remains functional for several days at least, probably because nuclear localization protects it from the cytoplasmic degradation machinery and provides access to the nuclear transcription machinery. Our results indicate that TAT fusion proteins traffic intercellularly and have enhanced stability and prodrug cell killing activity. We conclude that TAT has potential for enhancing enzyme prodrug treatment of liver cancers.
Purpose: The herpes simplex virus type 1 thymidine kinase gene(HSV1-tk) is an attractive candidate as a reporter gene in noninvasive reporter gene monitoring system. The HSV1-tk gene was chosen as a reporter gene, because it has been extensively studied, and there are appropriate reporter probes, substrates of HSV1-tk gene product, to apply for HSV1-tk gene imaging. We used radiolabeled 5-iodovinyl-2'-deoxyuridine (IVDU) and 5-iodovinyl-2'-fluoro-2'-deoxyuridine (IVFRU) as reporter probes for HSV1-tk gene monitoring system. Materials and Methods: We prepared HSV1-tk gene transduced Morris hepatoma cell line using retroviral vector, MOLTEN containing HSV1-tk gene. And we confirmed the HSV1-tk gene expression by Northern blotting and Western blotting. We compared in vitro uptakes of radioiodinated IVDU and IVFRU to monitor HSV1-tk gene expression in Morris hepatoma cell line (MCA) and HSV1-tk gene tranduced MCA (MCA-tk) cells until 480 minutes. We also peformed correlation analysis between percentage of HSV1-tk gene tranduced MCA cell % (MCA-tk%) and uptakes of radiolabeled IVDU or IVFRU. Results: MCA-tk cell expressed HSV1-tk mRNA and HSV1-TK protein. Two compounds showed minimal uptake in MCA, but increased uptake was observed in MCA-tk. IVDU showed 4-fold higher accumulation than IVFRU at 480 min in MCA-tk (p<0.01). Both IVDU and IVFRU uptake were linearly correlated ($R^2>0.96$) with increasing MCA-tk%. Conclusion: The radiolabeld IVDU and IVFRU showed higher specific accumulation in retrovirally HSV1-tk gene transfected Morris hepatoma cell line. Both IVDU and IVFRU could be used as good substrates for evaluation of HSV1-tk gene expression.
Moonkyung, Kang;Ayoung, Song;Jiyoung, Kim;Se Hun, Kang;Sang-Jin, Lee;Yeon-Soo, Kim
BMB Reports
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v.55
no.12
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pp.615-620
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2022
The murine leukemia virus-based semi-retroviral replicating vectors (MuLV-based sRRV) had been developed to improve safety and transgene capacity for cancer gene therapy. However, despite the apparent advantages of the sRRV, improvements in the in vivo transduction efficiency are still required to deliver therapeutic genes efficiently for clinical use. In this study, we established a gibbon ape leukemia virus (GaLV) envelope-pseudotyped semi-replication-competent retrovirus vector system (spRRV) which is composed of two transcomplementing replication-defective retroviral vectors termed MuLV-Gag-Pol and GaLV-Env. We found that the spRRV shows considerable improvement in efficiencies of gene transfer and spreading in both human glioblastoma cells and pre-established human glioblastoma mouse model compared with an sRRV system. When treated with ganciclovir after intratumoral injection of each vector system into pre-established U-87 MG glioblastomas, the group of mice injected with spRRV expressing the herpes simplex virus type 1-thymidine kinase (HSV1-tk) gene showed a survival rate of 100% for more than 150 days, but all control groups of mice (HSV1-tk/PBS-treated and GFP/GCV-treated groups) died within 45 days after tumor injection. In conclusion, these findings sug-gest that intratumoral delivery of the HSV1-tk gene by the spRRV system is worthy of development in clinical trials for the treatment of malignant solid tumors.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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