Adult stem cells derived from human goiters form spheres in response to intense growth stimulation and differentiate TSH-dependently into thyroid cells

Abstract

In recent years, adult stem cells have become the subject of intense study. The presence of adult stem cells in human thyroid nodule tissues was first reported in our previous study. However, the isolation of thyroid stem cells has so far been hampered by the absence of a surface antigen that allows the separation by FACS. Therefore, this study aimed to analyze (1) under which conditions quiescent stem cells derived from human nodules can be propagated to outgrow and (2) if these cells have retained the capacity to differentiate into thyroid cells. Stem cells from human nodules were isolated as a side population from a non-side population fraction by FACS. Thyroid SP exhibited a characteristic morphology of adult stem cells, as compared with non-SP cells, after cytospin and Giemsa staining. Moreover, because of the poor viability and growth of SP cells, new isolation and stimulation techniques for stem cells were employed. Intense growth stimulation of stem cells resulted in formation of non-adherent, three-dimensional spheres that consisted of highly proliferating stem and progenitor cells with their characteristic expression profiles. In response to TSH and serum these sphere-forming cells grew as monolayer and differentiated into thyrocytes that expressed thyroid specific genes and showed specific 125iodide uptake. This study demonstrates that human thyroid nodule tissues contain a population of stem cells with SP phenotype and the capacity of clonal expansion in response to intense growth stimulation. These stem cells express typical gene profiles and are characterized by the ability of self-renewal and differentiation into thyroid cells. Compared to thyrocytes, stem cells display a much higher proliferation rate upon acute growth stimulation which suggests a putative role of stem cells in the chronic growth factor-stimulated nodular transformation of the thyroid.

In den letzten Jahren sind adulte Stammzellen Gegenstand intensiver Forschung. In den vorausgehenden Arbeiten unserer Arbeitsgruppe konnte zum ersten Mal der Nachweis von adulten Stammzellen in menschlichen Schilddrüsengeweben geführt werden. Bislang ist jedoch die Isolation von Schilddrüsenstammzellen aus dem Schilddrüsengewebe am Fehlen spezifischer Oberflächlichen-Antigenen gescheitert. Solche Antigenmarker sind für die Selektion und Isolierung intakter Zellen mittels FACS erforderlich. In der vorliegenden Arbeit sollten daher 1. die Bedingungen analysiert werden, unter denen die aus menschlichen Schilddrüsenknoten stammende, ruhenden (d.h. nicht proliferierenden) Stammzellen zum Wachstum gebracht werden können und 2. die Frage geklärt werden, ob diese Zellen das Potenzial zur Differenzierung in Schilddrüsenzellen beibehalten haben. Die in dieser Arbeit angewandte Isolationstechnik von Schilddrüsenstammzellen aus menschlichen Schilddrüsenknoten mittels FACS. Aufgrund dieser typischen Genexpressionsprofile konnten eine Seitenpopulation (sogen. side population) von Stammzellen (SP-Zellen) von den übrigen Zellen der Schilddrüse (non-SP- Zellfraktion) differenziert werden. Morphologisch wiesen die SP-Zellen lichtmikroskopisch eine charakteristische Stammzellmorphologie. Die Vermehrung und Differenzierung von isolierten Stammzellen wurde jedoch durch ihren Ruhezustand (sogen. quiescent state)und ihre verminderte Lebensfähigkeit in vitro begrenzt. Dieses Problem konnte durch neue Isolation- und Stimulationsmethoden überwunden werden. Nach intensiver Wachstumsstimulation wuchs eine kleine Zahl von Schilddrüsenstammzellen aus primären Zellkulturen heran und bildete dreidimensionale kugelförmige Klone. Diese nannten wir thyro- spheres . Diese thyro-spheres bestanden aus sich stark vermehrenden Stamm- und Vorläuferzellen mit typischen Genexpressionsprofilen. Nach Induktion der Differenzierung durch Serum und TSH, wuchsen diese thyro- spheres -Zellen als Monolayer aus und ließen sich in Thyreozyten mit typischen mRNA-Expressionsmustern differenzieren. Von besonderer Bedeutung war der Befund, dass nach Einbetten in Kollagen diese Zellen eine spezifische 125Jodid-Aufnahme aufwiesen. Diese Arbeit zeigt, dass menschliche Schilddrüsenknotengewebe Stammzellen enthalten, die einen SP-Phänotyp besitzen und ein Potenzial zur klonalen Expansion nach intensiver Wachstumsstimulation aufweisen. Diese Stammzellen exprimieren typische Genprofile und besitzen unter charakteristischen Kulturbedingungen ein Eigenvermehrungs- und Differen- zierungspotenzial. Im Vergleich zu Thyreozyten, weisen diese Stammzellen nach akuter Wachstumsstimulation eine erhöhte Proliferationsrate auf. Dies könnte auf eine mögliche Rolle von Stamm- bzw. Progenitorzellen bei der durch chronische Wachstumsstimulation induzierten, nodulären Transformation der Schilddrüse hindeuten.