German Title: In Richtung einer funktionellen Analyse disseminierender Tumorzellen menschlicher Karzinome

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Abstract

Metastasierung ist die Hauptursache für krebsbedingte Todesfälle. Aktuelle Metastasierungsmodelle schlagen vor, dass Metastasen von einer Subpopulation der “disseminierenden Tumorzellen” (DgTCs) abstammen, welche auch als “Metastaseninitiierende Zellen” (MetICs) agieren können. DgTCs sind in mehreren mesenchymalen Kompartimenten des Körpers zu finden: in den Blutgefäßen (zirkulierende Tumorzellen, CTCs), in den Lymphgefäßen (Lymphknoten Tumorzellen LNTCs) oder im Knochenmark (disseminierte Tumorzellen, DTC). Außerdem korreliert das Auftreten von DgTCs in Karzinompatienten mit dem Auftreten von Metastasen und dem Auftreten von Rezidiven. Allerdings konnte die Tumorigenität von DgTCs nie gezeigt werden, da keine geeigneten in vivo Modelle existieren. Das Knochenmark ist eine dynamische Umgebung mit hoher Konzentration von Wachstumsfaktoren und Zytokinen, die es zu einer idealen Nische für das Einnisten und Überleben von Krebszellen macht. Zudem verdichten sich die Hinweise, dass das Knochenmark als ein vorübergehendes Reservoir für DgTCs dienen kann. Ein neuartiges funktionelles Xenograftmodell wurde etabliert, um das metastatische Potential von DgTCs zu analysieren. Menschliche Tumorzellen wurden mit einem lentiviralen Vektor Konstrukt, welches Luciferase als Reportergen exprimiert (LUC), transduziert und in das Knochenmark von NOD/SCID/gamma c-/- immundefizienten Mäusen transplantiert. Das Anwachsen und die Expansion dieser Tumorzellen wurde nicht-invasiv mit Hilfe des Xenogen Imaging-System und des CT-scan analysiert. Die ersten Versuche wurden mit der metastasierenden MDA-MB-231 Brustkreb-Zelllinie durchgeführt. Dabei wurde das etablierte in vivo Model zur Charakterisierung des Knochenmarks als potentielle metastatische Nische herangezogen. Zusätzlich wurden Proben von primären DgTC Brustund Prostatakrebs-Patienten analysiert. Die DgTCs waren in der Lage, die hämatopoetische Stammzellnische im Knochenmark zu nutzen, wobei das Anwachsen der Tumorzellen CXCR4-abhängig war. Außerdem konnte gezeigt werden, dass CTCs aufgrund eines Zellzyklusarrests weniger tumorigen sind als die Tumorzellen der parentalen Zelllinie. Quiescence war mit der Expression von CD26 assoziiert, wohingegen die Expression von C-MET mit einem aktivierten Zellstatus in Verbindung gebracht werden konnte. CTCs scheinen aus einer heterogenen Population von Zellen zu bestehen. Eine aktivierte zirkulierende Krebsstammzell Subpopulation wurde in Brustkrebspatientinnen detektiert, vor allem unter den C-MET positiven CTCs.

Translation of abstract (English)

Metastasis is the first cause of cancer-related deaths. Current metastasis models propose that metastases arise from a sub-fraction of Disseminating Tumor Cells (DgTCs), which can act as Metastasis Initiating Cells (MetICs). DgTCs are found in several mesenchymal compartments of the body: in the blood vasculature (Circulating Tumor Cells, CTCs), in the lymphatics or in the bone marrow (Disseminated Tumor Cells, DTCs). Moreover, the presence of DgTCs in carcinoma patients correlates with metastasis occurrence and metastatic relapse. However, the tumorigenicity of DgTCs has never been assessed due to the lack of suitable in vivo models. The bone marrow is a dynamic microenvironment with a high concentration of growth factors and cytokines, making it a permissive zone for cancer cell homing, survival and possibly self-renewal. Furthermore, it has been shown to shelter DTCs in a high frequency of carcinoma patients, suggesting that the bone marrow functions as a reservoir for potential MetICs. A novel functional xenograft model was set up and optimized in order to analyze the metastatic potential of DgTCs. Briefly, human tumor cells were transduced with a high titer lentivirus to introduce a high expression of the luciferase reporter gene and transplanted into the bone marrow of NOD/SCID/gamma c-/- immuno-compromised mice. The engraftment and the expansion of the tumor cells were then quantified in a non-invasive manner using the Xenogen imaging system and a CT-scan. A first line of experiments was carried out using the MDA-MB-231 breast cancer metastatic cell line. The bone marrow metastatic niche was then further characterized using this model. Additionally, primary DgTC samples from breast and prostate cancer patients were analyzed. DgTCs were found to be able to usurp the haematopoietic stem cell niche in the bone marrow, and their engraftment in the niche was CXCR4-dependent. Also, it could be demonstrated that cell line CTCs are in general less tumorigenic than tumor cells from the parental cell line, due to an arrest in cell cycle. Quiescence was associated with CD26 expression while activated states were associated with C-MET expression. CTCs were found to be highly heterogeneous; among others, an activated phenotypic circulating cancer stem cell subpopulation was detected in a breast cancer patient, specifically within C-MET positive CTCs.