Developing a Protocol for In Vitro Characterization of Circulating Cancer Stem Cell-like Cells

Krebs ist weltweit die häufigste Todesursache, und trotz der in den letzten Jahrzehnten erzielten Therapieverbesserungen sind Tumorrezidive und Metastasen nach wie vor das größte Problem für den Therapieerfolg. Tumore zeichnen sich durch eine heterogene Zellpopulation aus, die auf die sich rasch entwickelnde dynamische Mikroumgebung des Tumors zurückzuführen ist. Die Blutgefäße, die sich während der Tumorbildung bilden, weisen eine desorganisierte Struktur auf, die zur Entwicklung einer hypoxischen Umgebung im Tumor beiträgt. Eine solche Mikroumgebung führt zur Entwicklung einer Subpopulation von Tumorzellen, die einen mesenchymalen Phänotyp aufweisen und in das Blut und die Lymphgefäße einwandern können. Bei diesen Zellen handelt es sich um die zirkulierenden Krebsstammzellen (CCSCs), die strahlenresistent sind und folglich für die Metastasenbildung verantwortlich sind. CCSCs verfügen über Marker, die für die Migration und Stammzelleneigenschaft (CD133), die Resistenz gegen Anoikis (Trk B), den programmierten Zelltod, und die Immunabwehr (CD47) entscheidend sind. Die Hypoxie trägt dazu bei, die Stammzellenkapazität zu simulieren und die Subpopulation der CD133-positiven Zellen zu selektieren. Darüber hinaus sind diese Zellen strahlenresistent und eine weitere Selektion ist möglich, nachdem sie ionisierender Strahlung ausgesetzt wurden. Idealerweise würde ihre Isolierung, Kultivierung und Charakterisierung in vitro die Möglichkeit bieten, das Wissen über die für die Metastasenbildung verantwortlichen Mechanismen zu erweitern. Es ist jedoch technisch äußerst anspruchsvoll, sie im Blutkreislauf zu identifizieren, da sie nur in geringer Zahl im Blutkreislauf vorhanden sind. Zu diesem Zweck haben wir in dieser In-vitro-Studie unter Verwendung von Hypoxie (akut und chronisch) und ionisierender Strahlung (4 Gy Röntgenstrahlung) Zellen mit einem CCSC-ähnlichen Phänotyp für die weitere Charakterisierung ausgewählt. Wir haben versucht, diese Zellen ex vivo aus dem Blut der Tiere zu isolieren und zu charakterisieren. Dabei untersuchten wir die Expression der CD133- und CD47-Marker zwischen Primärtumor und Metastasen durch histologische Analyse von Proben, die im In-vivo-Mausexperiment gewonnen wurden.

Cancer is the leading cause of death worldwide and despite the treatment improvements that have been done in the past decades, tumor recurrence and metastasis still remain the main concern for therapy success. Tumors are characterized by a heterogeneous population of cells because of the dynamic tumor microenvironment that evolves rapidly. The blood vessels that generate during tumor formation display a disorganized structure contributing to developing a hypoxic environment in the tumor. Such microenvironment induces the development of a subpopulation of tumor cells that exhibit a mesenchymal phenotype and that can migrate into the blood and the lymphatic vessels. Such cells are the Circulating Cancer Stem Cells (CCSCs), which are radioresistant and subsequently responsible for metastasis formation. CCSCs have markers critical for migration and stemness (CD133), resistance to anoikis (Trk B), the programmed cell death that usually occurs after cell intravasation in the blood circulation, and immune evasion (CD47). Hypoxia contributes to simulating cells’ stemness capacity and to selecting the subpopulation of positive cells for CD133. Moreover, these cells are radioresistant and a further selection is possible after exposing them to radiation. Ideally isolating, culturing and characterizing them in vitro would give the possibility to increase the knowledge about the mechanisms responsible for metastasis formation. However, identifying them in circulation is challenging since they are present only in a few numbers in the bloodstream. For this purpose, in this in vitro study, we select using hypoxia (acute and chronic) and radiation (4 Gy X-rays) cells with a CCSC-like phenotype for further characterization. We tried to isolate and characterize ex vivo these cells from the animals’ blood. We investigated the expression of CD133 and CD47 markers between primary tumor and metastasis, through histological analysis of samples obtained from in vivo mice experiment.