In vitro characterization of oncolytic vaccinia virus treated pancreatic carcinoma cells and its effect on the innate immune response

Abstract

Background: Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is an aggressive cancer with limited treatment options and poor prognosis. The immunosuppressive feature of its tumor microenvironment impairs the effectiveness of traditional therapies. Recent advances have explored the potential of oncolytic virotherapy. In this study, we used a Western reserve oncolytic vaccinia virus (vvDD), and two cytokine-armed variants (vvDD-IL2; vvDD-IL15) for treatment of PDAC cells and explored its impact on the response of human natural killer cells. Method: For testing functionality and efficient replication, viral constructs were assayed in plaque and viability assays after infection. We performed microscopy and flow cytometry to characterize viral integration after infection via emitted YFP signals. Virus-infected PDAC cells were co-cultured with human derived PBMCs and a NK cell line for downstream exploration of NK cell responses, focusing on activation, cytotoxicity, and effector functions. Mechanisms of oncolysis and immunogenic cell death (ICD) were investigated via proteomic and other molecular analyses. Results: Our results show that both, vvDD and its cytokine-armed variants, efficiently penetrated PDAC cells and led to downstream oncolysis. Proteomic analysis of virus-infected PDAC cells elicited substantial changes in carcinogenic signaling pathways. Expression analyses of co-cultured NK cells revealed NK cell activation with effector function of a rare CD56dimCD16dim NK cell subtype. In addition, we found that the killing of PDAC cells in this context was mediated via the Fas ligand (FasL) resulting in immunogenic cell death. Conclusions: Our findings highlight the potential of oncolytic vaccinia viruses to not merely induce oncolysis but modulating the immune environment via enhanced NK cell effector function. Such bioactive agents could counter the immune-deprived and -suppressive conditions regularly found in PDAC.

Hintergrund: Das duktale Pankreasadenokarzinom (PDA) ist eine aggressive Krebserkrankung mit begrenzten Behandlungsmöglichkeiten und schlechter Prognose. Die immunsupprimierende Eigenschaften seiner Mikroumgebung beeinträchtigt die Wirksamkeit herkömmlicher Systemtherapien. Das Potenzial der onkolytischen Virustherapie konnte in den letzten Jahren eindrücklich dargestellt werden. In dieser Studie untersuchten wir einen onkolytischen Vaccinia virus Stamm (vvDD), sowie zwei mit Zytokinen-geladenen Varianten (vvDD-IL2, vvDD-IL15), zur Behandlung von PDA Zellen und deren Einfluss auf humane natürlichen Killerzellen (NK Zellen). Methode: Zur Testung der Funktionalität und effektiven Replikation, wurden nach Infektio der Vaccinia Viren, diese mithilfe von sogenannten Plaque- und Viabilitätsassays untersucht. Wir führten Immunfluoreszenz Mikroskopien und Durchflusszytometrien durch, um die virale Integration anhand der emittierenden YFP Signale zu untersuchen. Virusinfizierte PDA Zellen wurden mit humanen PBMCs oder mit einer NK-Zelllinie co-kultiviert um die Immunantwort der NK-Zellen zu bewerten, mit Fokus auf deren Aktivierung, Zytotoxizität und Effektorfunktionen. Zusätzlich wurden Mechanismen der Onkolyse und des immunogenen Zelltods mithilfe von Proteom und anderer molekularer Analysen untersucht. Ergebnisse: Unsere Ergebnisse zeigten, dass sowohl vvDD als auch die mit Zytokinen ausgestatteten Varianten, PDA Zellen effizient penetrieren und eine effektive Onkolyse evozieren. Die Proteomanalyse virusinfizierter PDA Zellen zeigte erhebliche Veränderungen karzinogener Signalwege. Expressionsanalysen der co-kultivierten NK-Zellen, zeigten eine erhöhte NK-Zellaktivierung eines seltenen CD56dimCD16dim NK-Zell Subtyps. Darüber hinaus beobachteten wir, das in diesem Zusammenhang das Töten der PDA Zellen durch Fas-Liganden (FasL) vermittelt wurde und diese einen immunogenen Zelltod evoziert. Schlussfolgerungen: Insgesamt demonstrieren unsere Ergebnisse das Potential onkolytischer Vaccinia Viren nicht nur zur effektiven Onkolyse, sondern vorallem der Modulation der immunreagiblen Umgebung mit verbesserter Effektorfunktion der NK Zellen. Solche bioaktiven Wirkmechanismen könnten in der Therapie die Immungeschwächte- und supprimierte Mikroumgebung des PDAs effektiv entgegenwirken.