Umeå University's logo

Adenoviruses (AdVs) have been developed as vectors for gene therapy, vaccines, and oncolytic applications, owing to their transduction efficiency, broad tropism, and well-established production platforms. Still, clinical translation is limited due to insufficient targeting and complex interactions with host factors. A detailed understanding of AdV-host interactions is needed for the rational design of next-generation vectors. This thesis explores AdV-host interactions in the context of vector development.

Human adenoviruses (HAdVs) are genetically divided into seven species (A-G), where species D is the largest and most diverse. The low seroprevalence of species D HAdVs has made them interesting as gene delivery platforms. In the first study, we identified a new chimeric HAdV-D virus, HAdV-20-42-42. HAdV-20-42-42 was vectorised and we demonstrated that it used the coxsackievirus and adenovirus receptor (CAR) and CD46 for attachment. We also demonstrated the vector's ability to induce a T cell response in mouse splenocytes. The ability to use dual receptors and activate adaptive immunity highlights the potential of species D HAdV as versatile gene delivery platforms. 

In the second study, we generated four distinct A549 knockout models by targeting known HAdV receptors, resulting in cells deficient in CAR, CD46, DSG2, or sialic acid. Upon infection with HAdVs, we identified CD46 as the primary entry receptor for a majority of species D HAdVs. We used SPR analysis to demonstrate that binding to CD46 was mediated primarily by the HAdV hexon protein, suggesting the possibility for an interaction with high avidity.  Together, these findings provide mechanistic insight into the molecular basis underlying the broad cellular tropism of species D HAdVs.  

Given the central role of skeletal muscle as a target tissue for vaccine vectors, we wanted to explore whether HAdV transduction of these cells could be improved. Previously, the endogenous peptide lactoferricin (Lfcin) has been recognised to enhance HAdV-C5 infection in epithelial cells. In the third study, we investigated whether Lfcin could also enhance HAdV-C5 infection in human skeletal muscle cells. We found that Lfcin enhanced infection in a dose-dependent manner, but at very high concentrations it promoted viral particle clustering, which correlated with reduced enhancement. Addition of Lfcin during the early stages of infection markedly improved viral entry and transduction in both proliferating myoblasts and terminally differentiated myotubes. In addition, Lfcin reduced serum-mediated neutralisation of HAdV-C5. These findings demonstrate how endogenous host factors can modulate HAdV infectivity, influence biodistribution, and counter neutralising antibodies.

These studies provide additional insights into HAdV-host interactions by exploring determinants of HAdV tropism, and can be used for the development of safer, more targeted, and more effective AdV-based vectors. 

Det uppskattas finnas närmare 10³¹ viruspartiklar på jorden. Trots denna enorma mängd finns det många som är relativt okända utanför forskarvärlden, däribland de virus jag forskat på: adenovirus. Adenovirus är en stor familj med många olika virus. De som kan infektera människor är kategoriserade i sju grupper (A-G), men historiskt har dessa främst förknippats med lindriga symptom såsom en lätt förkylning. Till utseendet ser alla adenovirus ut som en mikroskopisk 20-sidig tärning där det från var och ett av de tolv hörnen sticker ut armar som kallas fibrer. Ungefär tiotusen virus får plats på längden av en millimeter. 

Så varför studera virus som historiskt bara ansetts ge lindriga symptom? Jo, medicinskt kan adenovirus användas som vektorer; det vill säga virus som modifierats för att fungera som leveransbud för till exempel vacciner eller terapeutiska gener. Risken för framtida pandemier gör det viktigt att vi utvecklar nya plattformar för vaccinutveckling och en del genetiska sjukdomar saknar idag effektiv behandling. För att en vektor ska fungera optimalt måste man se till att den hamnar på rätt plats i kroppen och att den överlever kroppens immunförsvar länge nog för att leverera sin last. 

Denna avhandling handlar om adenovirus och hur vi kan använda dem som vektorer för vaccination och andra tillämpningar.

I första delen av detta arbete upptäckte vi ett nytt adenovirus, som visade sig tillhöra den största guppen adenovirus, grupp D. Vi modifierade det till vektor för att utvärdera dess potential som leveransplattform för vacciner eller genterapi och fann att det hade många egenskaper som lämpade sig för detta. Genom att använda en biobank av mänskliga blodprover kunde vi se att de flesta inte hade antikroppar mot detta virus, vilket är bra om man vill använda det som vektor. Vi undersökte sedan hur viruset tar sig in i celler och fann att det kan använda sig av två olika proteiner på cellytan, vilket gör att det kan användas på flera ställen i kroppen. Vi undersökte också hur virusvektorn påverkade immunsvaret hos möss och fann att den stimulerar utvecklingen av immunitet mot den vaccin-antigen som vektorn bär på. Denna information påverkar när och hur vi kan använda adenovirus som vektorer.

I den andra delen av detta arbete ville vi förstå hur adenovirus från grupp D sprids i kroppen. För spridning måste virus hitta en väg in i våra celler och vi upptäckte att grupp D adenovirus använder ett protein som heter CD46 för detta. Vi kunde visa att många adenovirus från grupp D binder till CD46 på ett sätt som gör interaktionen extra stabil. Genom att viruset har många bindningspunkter på sin yta kan det interagera med flera CD46-proteiner samtidigt. CD46 finns för övrigt på nästan alla celler i vår kropp, vilket kan förklara varför vissa adenovirus från grupp D kan infektera många olika celler och vävnader i kroppen. Detta har både för och nackdelar när man vill använda dem som vektorer och ger en inblick i hur deras väg in i celler kan styra var de infekterar.

Skelettmuskler är en viktig målvävnad för vektorbaserade vacciner, men adenovirus från grupp C har svårt att ta sig in i muskelceller. Problemet är att dessa celler inte har det viktiga ytproteinet CAR (som står för Coxsackie och Adenovirus-Receptorn). Utan CAR på cellytan har grupp C adenovirus ingen effektiv väg in. Tidigare studier har visat att ett kroppseget proteinfragment, lactoferricin, ökar upptag av adenovirus i lungceller och vi ville därför undersöka om lactoferricin även kan öka upptag av adenovirus i skelettmuskelceller. Vi fann att tillsats av lactoferricin tidigt under infektion kraftigt förbättrade virusupptaget i skelettmuskelceller. Dessutom kunde lactoferricin delvis skydda adenoviruset mot neutraliserande antikroppar, vilka annars hämmar vektorer från att fungera optimalt. Dessa resultat ger en inblick i hur vi kan använda olika molekyler för att förbättra upptag av adenovirus-baserade vektorer.

Sammanfattningsvis ger dessa arbeten en ökad förståelse för hur adenovirus interagerar med värdceller och identifierar faktorer som styr var och hur olika adenovirus kan infektera. Resultaten öppnar dörren för att utveckla säkrare, mer effektiva adenovirus-baserade vektorer.