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Phenotypic and molecular characterization of colorectal cancer-derived circulating and disseminated tumor cells

Niemietz, Thomas

German Title: Phänotypische und molekulare Charakterisierung zirkulierender und disseminierter Tumorzellen im kolorktalen Karzinom

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Abstract

Tumors shed large numbers of cells into the vasculature. It is supposed that these cells give rise to metastases that are the major cause of death from cancer. However, the isolation and characterization of the so called circulating tumor cells (CTCs) is still challenging since cells are rarely to find among millions of normal leukocytes. The objective of this thesis was to characterize colorectal cancer (CRC) - associated CTCs and disseminated tumor cells (DTCs) from bone marrow samples. We studied CTC incidence in blood samples of CRC patients with the help of the FDA-cleared CellSearchTM system. We found that the number of patients with CTCs and the amount of CTCs was significantly correlated with the stage of disease. In addition, a significant higher rate of patients with CTCs in tumor-draining venous blood compared to the central venous blood was found. Furthermore, genomic analyses of single CTCs have been performed. This comprised the evaluation of typical CRC-associated mutations such as point mutations in TP53, BRAF, KRAS as well as the detection of microsatellite instability (MSI). Additionally, some CTCs were used to study global chromosomal aberrations by comparative genomic hybridization technique. Results revealed a remarkable genomic heterogeneity among the CTCs of single patients. Moreover, we detected several cases of genomic disparity among CTCs and the prevailing clone of matched cancer tissue. To evaluate differential gene expression that might enable tumor cell dissemination, we studied CTCs that were obtained from patients’ blood samples and from an othotopic mouse model of metastatic CRC. Gene expression profiles of CTCs and cell samples from cancer tissue were compared. The down-regulation of cell adhesion molecules such as E-cadherin might be involved in tumor cell dissemination. However, a significant epithelial-mesenchymal transition (EMT) in CTCs could not be confirmed. DTCs isolated from human bone marrow samples seem to adopt a dedifferentiated phenotype and lack expression of CK20 and CK19. Absence of EGFR and the proliferation marker Ki67 confirmed previous reports of dormancy in DTCs. With the present work we were able to demonstrate that the molecular characterization of single CTCs is feasible. However, further studies are required to increase the knowledge about the molecular traits of CTCs which might help to improve therapy and prognosis in CRC.

Translation of abstract (German)

Krebszellen werden von Tumoren zahlreich ins Blut abgegeben. Man vermutet, dass diese Zellen Metastasen, die Hauptursache krebsbedingter Todesfälle, initiieren können. Jedoch ist die Isolation und Charakterisierung dieser so genannten zirkulierenden Tumorzellen (ZTZs) immer noch eine Herausforderung, da sie unter Millionen von Leukozyten nur schwer zu detektieren sind. Diese Arbeit wurde mit dem Ziel erstellt ZTZs sowie ins Knochenmark disseminierte Tumorzellen (DTZ) im kolorektalen Karzinom (KRK) zu charakterisieren. Das Vorkommen von ZTZs in Blutproben von KRK Patienten wurde mit dem CellSearchTM System untersucht. Sowohl Anzahl der Patienten mit ZTZs als auch Menge von ZTZs korrelierten signifikant mit dem Krankheitsstadium. Es fanden sich signifikant mehr Patienten mit ZTZs in tumordrainierenden venösem Blut im Vergleich zu zentralvenösem Blut. Zusätzlich wurden genomische Einzelzellanalysen an ZTZs durchgeführt. Dies umfasste die Analyse von typischen KRK-assoziierten Punktmutationen in TP53, KRAS und BRAF sowie das Detektieren von Mikrosatelliteninstabilität. Einige ZTZs wurden für die Analyse von chromosomalen Aberrationen mittels CGH untersucht. Eine bemerkenswerte genomische Heterogenität innerhalb der ZTZ Populationen einzelner Patienten wurde gefunden. Außerdem traten häufig genomische Unterschiede zwischen ZTZs und dem dazugehörigen Krebsgewebe auf. Da differenzielle Genexpression vermutlich die Dissemination ermöglicht, wurden ZTZs, die aus Patientenblut und aus einem orthotopen Metastasierungsmodel in der Maus isoliert wurden, analysiert. Die Genexpressionsprofile der ZTZs und Zellproben des Krebsgewebes wurden verglichen. Die Runterregulation von Zelladhäsionsmolekülen wie E-cadherin könnte an der Tumorzelldissemination beteiligt sein. Allerdings konnte eine signifikante Epitheliale-Mesenchymale-Transition der ZTZs nicht bestätigt werden. DTZs, die aus menschlichen Knochenmarkproben isoliert wurden, scheinen einen dedifferenzierten Phänotyp anzunehmen. Die Differenzierungsmarker CK20 und CK19 wurden nicht detektiert. Berichte über eine niedrige Expression von Ki67 und EGFR, die auf eine proliferative Quieszenz in DTZs hindeuten, ließen sich hingegen bestätigen. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass eine umfassende molekulare Charakterisierung von ZTZs und DTZs möglich ist. Um mehr über die molekularen Eigenschaften dieser Zellen zu erfahren sind jedoch weitere Studien erforderlich. Diese könnten die Therapie und Prognose des KRK verbessern helfen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Beckhove, Prof. Dr. Philipp
Date of thesis defense: 11. June 2012
Date Deposited: 14. Jun 2012 14:30
Date: 2012
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Dickdarmkrebs
Uncontrolled Keywords: zirkulierlierende Tumorzellen , disseminierte Tumorzellen , molekulare Charakterisierungcirculating tumor cells , disseminated tumor cells , colorectal cancer , molecular characterization
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