Suicide Gene therapy for Malignant Gilomas using Neural Stem Cells

Abstract

INTRODUCTION: Despite advanced neurosurgical techniques and various multimodal therapeutic approach have been developed for malignant gliomas, these can not save the patients from the tumors due to infiltrating behavior of these glioma cells. Here, author investigated the possibility of treatment for the malignant gliomas with neural stem cell (HB1.F3) transduced with suicidal gene using the tropism of stem cells. MATERIALS AND METHODS: E.coli cytosine deaminase(CD) of suicide gene is enzyme that catalyzes the conversion of noncytotoxic 5-FC to the cytotoxic and radiosensitizing drug 5-FU. Cytotoxic 5-FU and its toxic metabolites can readily diffuse unto surrounding tumor cells giving CD. HB1.F3 were transduced with retroviral vectors expressing the E.coli CD. Rats were implanted with U373MG, U251MG human glioblastoma(hGM) line and F3/CD were injected directly into the tumor mass 6 days later. The rats with tumors were injected IP 5-FC or saline daily for 7 days since 6 days after implantation of tumors. RESULTS: HB1.F3 which were injected into the contralateral hemisphere to the tumor implantation site migrated through the corpus callosum to the tumor cells 3days after hGM transplantation. The growth inhibition of treated cells 5-FU in comparison to untreated controls was remarkable in vitro. The tumor mass in the rats with transplantation of F3/CD were reduced markedly in size comparing to that with F3 after injection of 5-FC. CONCLUSIONS: 1. The human neural stem cells can trace to the glioma cells in the rat brain. Systemic treatment with 5-FC reduced the size of tumor with direct transplantation of F3/CD. 2. Our data indicate that suicide gene therapy using neural stem cells would be promising as a new therapeutic approach for malignant glioma.

악성 신경교종은 성장 속도가 빠르고, 주위 정상 뇌 조직 내로 침윤 (invasion)하므로 완전 수술적 절제가 불가능하고, 재발성 성향이 높기 때문에 수술 후 방사선치료나 화학요법 등 기타 치료를 하더라도 일 년 미만의 생존율을 갖는 매우 악성 종양이다. 최근 수술기법의 개발과 고해상도의 진단기기 및 최첨단 수술기계의 도입 등으로 적극적인 종양제거 수술이 가능해졌으며, 면역치료 및 유전자치료 등의 보존 요법이 시도되고 있으나 아직까지는 악성 신경교종 환자의 예후에 큰 영향을 미치지 못하고 있다. 최근에 신경줄기세포가 종양을 추적할 수 있다고 (tropism) 보고된 이후 이tropism의 특성을 이용하여 신경줄기세포를 항암치료제의 vector로 이용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구는 김 등이 개발한 사람 신경줄기세포인 HB1.F3가 정상조직내로 침투된 악성 신경교종을 추적하는 사실을 확인하기위해 성인 쥐의 대뇌반구에 악성 신경교종을 이식하고 난 뒤 반대쪽 대뇌반구에 HB1.F3 신경세포를 이식해서 F3의 이동 경로를 관찰하였다. 자살유전자로 알려진 대장균 사이토신탈아미노효소 (cytosine deaminase; CD)는 항진균제인 5-fluorocytosine (5-FC)을 5-fluorouracil (5-FU)로 변환시켜 FUTP, FdUMP, FdUTP 등의 대사산물을 통해 DNA, RNA 대사에 작용함으로써 종양세포 독성을 나타낸다. 따라서 본 연구는 상기 CD 유전자를 HB1.F3신경줄기세포에 이입한 후 사람 악성 신경교아세포종 (U373MG, U251MG, U87MG)세포를 쥐의 대뇌반구에 이식한 5일 후 동측의 대뇌반구의 같은 부위에 이식하여 7일 동안 5-FC (10mg/ml)와 대조군으로 PBS를 복강 주사하여 종양세포의 성장을 관찰하였다. 대조군으로 PBS를 주입한 동물모델과 5-FC를 주입한 모델을 비교하여 5-FC를 주입한 쥐에서 뇌종양의 성장이 급격히 저하됨을 확인하였다. 이는 자살유전자가 이입된 세포뿐만 아니라 주위에 있는 세포까지 죽이는 bystander 효과로 종양세포 독성을 보였다. 상기 연구 결과를 토대로 임상에 적용함으로써 수술적 제거 후 남아 있는 신경교종이나 수술로 제거하기 힘든 부위에 위치한 종양의 치료 가능성이 있음을 보여주었다.