Isolation and characterization of a side population in thyroid cancer cell lines: evidence for the presence of thyroid cancer stem cells

Abstract

The identification of cancer stem cells in leukemia, as well as in brain tumor and breast cancer renews the interest in the hypothesis that cancers may arise from adult stem/progenitor cells. Recently, the Hoechst 33342 staining based method has been successfully applied to identify stem-like "side population" cells in a number of unrelated human cancers and their normal tissue sources. In this study, using the Hoechst staining method and Fluorescence-activated Cell Sorting (FACS), we identified a small fraction of side population cells in various human anaplastic thyroid cancer cell lines. These cancer side population cells possess some intrinsic stem cell properties as they preferentially express stem cell markers Oct4 and ABC transporter genes--ABCG2 and MDR1, and can generate both side population and non-side population cells in vitro. Clonal formation analysis and Matrigel invasion assay revealed that these cancer side population cells were more clonogenic and displayed higher invasive potential than non-side population cells. In addition, the cancer side population cells exhibited elevated gene expression of some proteinases which may promote tumor invasion and metastasis. Interestingly, in serum-free medium with epidermal growth factor (EGF) and basic fibroblast growth factor (bFGF), the cancer side population cells can be enriched and proliferate as spheres. Taken together, these findings suggest that the side population in thyroid cancer cell lines is enriched with stem-like cancer cells that may serve as a valuable model to study thyroid carcinogenesis and thus contribute to a novel therapy of highly malignant anaplastic thyroid cancer.

Die Identifizierung von Krebsstammzellen, sowohl in Leukämien als auch in Gehirn- und Brusttumoren, hat das Interesse an der Hypothese, daß Krebserkrankungen möglicherweise von adulten Stamm- bzw. Progenitorzellen ausgehen, wiederbelebt. Kürzlich wurde erfolgreich die Anfärbung mit Hoechst 33342 eingesetzt, um stammzellartige Zellen einer „Seitenpopulation" in einer Zahl von verschiedenen humanen Krebserkrankungen und den zugehörigen normalen Geweben zu identifizieren. In der vorliegenden Arbeit wurde ein kleiner Anteil von Zellen solcher Seitenpopulationen durch eine Kombination der Hoechst- Färbung mit fluoreszenzaktivierter Zellsortierung in verschiedenen humanen anaplastischen Schilddrüsenkrebs-Zelllinien identifiziert. Diese Seitenpopulationen von Krebszellen besitzen einige intrinsische Stammzelleigenschaften, wie die vorzugsweise Transkription der Stammzellmarkergene Oct4 und ABC-Transporter ABCG2 und MDR1. Auch können sie sowohl die Zellen der Seitenpopulation, als auch die der Nicht- Seitenpopulation generieren. Analysen der Kapazität zur Koloniebildung und der Invasion in ein Matrigel ergaben, daß diese Seitenpopulation von Krebszellen ausgeprägter koloniebildend sind und über ein höheres invasives Potential verfügen, als die Zellen der Nicht-Seitenpopulation. Darüberhinaus zeigten die Krebszellen der Seitenpopulation eine gesteigerte Transkription einiger für Proteinasen kodierender Gene, was möglicherweise Invasion und Metastasis des Tumors begünstigt. Interessanterweise können die Krebszellen der Seitenpopulation in serumfreien Medium unter Zusatz des epidermal growth factors (EGF) und des basic fibroblast growth factors (bFGF) angereichert werden und proliferieren dann in sogenannten Sphären. Insgesamt lassen diese Befunde vermuten, daß die erhaltenen Seitenpopulationen der Schilddrüsenkrebszelllinien mit stammzellartigen Krebszellen angereichert sind, die als ein wertvolles Modell für Untersuchungen zur Enstehung von Schilddrüsenkrebs dienen können und so auch zu neuen Therapien für hochmaligne anaplastische Schilddrüsenkrebs-erkrankungen beitragen können.