Characterization of circulating tumor cells in locally advanced squamous cell carcinoma of the head and neck

Abstract

About one third of the patients presenting with locally advanced squamous cell carcinoma of the head and neck (SCCHN) carries a considerable risk of metastasis and related mortality, despite the applied treatment. The mechanisms regulating tumor cell dissemination and metastasis in this patient group are largely unresolved. Therefore, the frequency of circulating tumor cells (CTCs) in peripheral blood from patients with locally advanced, inoperable disease was assessed in this study. For that purpose, a flow cytometry protocol for detection of CTCs was developed. The potential of CTCs to serve as a prognostic marker in locally advanced SCCHN was determined by correlating their presence in the blood with the clinicopathologic parameters of the patients. We observed that the presence of CTCs was significantly correlated with the grade of lymph node metastasis, whereas no correlation with T stage and tumor volume was found, which suggests that CTC detection may serve as an additional prognostic marker to the N staging. Further molecular analyses of SCCHN cell lines revealed that EGFR activation was associated with an epithelial-mesenchymal transition (EMT)-like phenotype, which was characterized by altered E-cadherin localization, high expression levels of Snail1, an elevated migratory potential and decreased sensitivity to irradiation or cetuximab monotherapy. Therefore, a highly sensitive and specific multicolour flow cytometry protocol, which allows the analysis of CTC numbers and their EGFR expression and activation, was developed. This protocol was applied for the analysis of SCCHN patient blood samples during the course of a clinical study in order to evaluate the potential role of CTC numbers and molecular profile in predicting the efficacy of different treatment regimens. We observed that the release of CTCs in the circulation and the change in their molecular profile during therapy is a dynamic process, most probably reflecting the tumor’s response to the assigned treatment. Therefore, CTC analysis in the course of treatment would allow monitoring of the disease and adjustment of the cancer-specific therapy, when necessary.

Über ein Drittel der Patienten mit lokal fortgeschrittenem Plattenepithelkarzinom des Kopfes und des Halses (SCCHN) trägt ein erhebliches Risiko der Metastasebildung, trotz der Behandlung angewendet. Die Regulierungsmechanismen der Verbreitung und Metastase von Tumorzellen in dieser Patientengruppe sind weitgehend ungelöst. Aus diesem Grund wurde in dieser Studie die Häufigkeit von zirkulierenden Tumorzellen (CTCs) im peripheren Blut von Patienten mit lokal fortgeschrittenen, nicht operierbaren Tumoren ermittelt. Zu diesem Zweck wurde ein Durchflusszytometrieprotokoll zur Erkennung von CTC entwickelt. Das Potenzial der CTCs als prognostische Marker beim lokal fortgeschrittenen SCCHN wurde durch den Zusammenhang zwischen dem Auftreten dieser Zellen im Blut und den klinisch-pathologischen Parametern der Patienten bestimmt. Es wurde festgestellt, dass die Präsenz von CTC mit der Phase der Lymphknotenmetastase erheblich korreliert, hingegen keine Korrelation mit T-Stadium und Tumorvolumen konnte beobachtet werden, was darauf hindeutet, dass CTC-Erkennung als zusätzlicher Prognoseindikator zu dem N-Stadium dienen könnte. Weitere molekulare Analysen von SCCHN Zelllinien zeigten, dass EGFR-Aktivierung mit einem epithelial-mesenchymalen Transition (EMT) Phänotyp verbunden wurde, der durch veränderte E-Cadherin-Lokalisation, hohe Expressionsniveaus von Snail1, ein erhöhtes Migrationspotenzial und verminderte Irritationsempfindlichkeit gegenüber Bestrahlung oder Cetuximab- Monotherapie charakterisiert wurde. Daher wurde ein hochempfindliches und spezielles Multicolor-Durchflusszytometrie-Protokoll entwickelt, welches die Analyse von CTC Zahlen und ihrer EGFR-Expression und Aktivierung ermöglicht. Dieses Protokoll wurde für die Analyse von Blutproben eines SCCHN Patienten im Laufe einer klinischen Studie verwendet, um die potentielle Bedeutung von CTC Zahlen und molekularem Profil bei der Vorhersage der Wirkungskraft von verschiedenem Behandlungsregime auszuwerten. Es wurde festgestellt, dass die Freisetzung von CTCs in die Blutlaufbahn und die Veränderung ihres molekularen Profiles während der Therapie ein dynamischer Prozess ist, der höchstwahrscheinlich die Tumorreaktion auf die Behandlung spiegelt. Demzufolge würde die CTC Analyse im Verlauf der Behandlung eine Überwachung der Krankheit und die Anpassung der krebs-spezifischen Therapie, wenn notwendig, erlauben.