ALDH1-positive cancer stem-like cells enrich in nodal metastases of oropharyngeal squamous cell carcinoma independently of HPV-status

Abstract

Despite intensive efforts to improve the treatment of oropharyngeal squamous cell carcinoma (OSCC), the overall prognosis remains unsatisfyingly poor due to therapy resistance, loco-regional recurrence and metastasis. A small population of cancer cells, known as cancer stem (-like) cells (CSC) exhibiting a stem cell phenotype, is thought to drive malignancies and to be responsible for therapy resistance, recurrence and metastasis. Aldehyde dehydrogenase 1 (ALDH1), which has been intensively investigated in the carcinogenesis of head and neck cancer, is a confirmed marker for CSC of OSCC. A subgroup of OSCC is caused by infection with high-risk (HR) human papillomavirus (HPV) in 30–40% of all cases in Germany. HPV-positive and HPV- negative OSCC present different etiological entities with alternative mechanisms for carcinogenesis and different clinical features. It has been shown that HPV-positive OSCC affect a younger patient population with relatively little comorbidity. Therefore, sustainable therapeutic results with few long-term side effects are highly desirable. The purpose of this study was to investigate associations between HR-HPV/p16INK4a positivity, CSC-frequency, and clinico-pathological parameters in patients with metastatic OSCC. HPV genotypes and expression of ALDH1 and p16INK4a was analyzed in 40 paired OSCC primary tumors and matched metastases. There was no association between HR-HPV with histological grade and tumor stage according to the TNM-classification in OSCC patients. A significant correlation of ALDH1 positivity with lower primary tumor differentiation grade (p=0.009) and higher nodal status (p=0.015) was noted. Compared to primary tumors, the proportion of ALDH1-expressing cells was significantly increased in metastases (p=0.012). While significantly less ALDH1-expressing cells were found in HR-HPV- DNA+/p16INK4a + primary tumors (p=0.038) as compared to HR-HPV-DNA–/p16 INK4a – primary tumors, metastases showed no difference. In conclusion, HPV+ and ALDH1+ CSC are detectable in OSCC and its corresponding metastases. OSCC with higher numbers of ALDH1-positive cells exhibit a more aggressive phenotype characterized by higher nodal classification and lower differentiation. This suggests a subpopulation contained in the ALDH1-positive OSCC cell pool able to complete the metastatic cascade and subsequently enrich in metastasis independently of tumor etiology and ALDH1 content.

Trotz intensiver Anstrengungen die Behandlung von Oropharynxkarzinomen (OSCC) zu verbessern, ist die Gesamtprognose aufgrund von Therapieresistenz, lokoregionaler Rezidivierung und Metastasierung schlecht. Eine kleine Population von Tumorzellen mit Stammzellphänotyp, die als Tumorstammzellen (CSC) bezeichnet werden, wird für den neoplastischen Prozess und Therapieresistenz, Rezidivbildung und Metastasierung verantwortlich gemacht. Das Enzym Aldehyddehydrogenase 1 (ALDH1) wurde umfassend im Zusammenhang mit der Karzinogenese von Kopf-Hals-Karzinomen untersucht und ist ein nachgewiesener Biomarker für Tumorstammzellen in OSCC. In 30-40% aller Fälle in Deutschland sind in OSCC Infektion mit Hochrisiko-(HR) Humanen Papillomviren (HPV) nachweisbar. HPV-positive und HPV-negative OSCC stellen unterschiedliche ethiologische Entitäten mit unterschiedlichen Mechanismen der Karzinogenese und klinischen Eigenschaften dar. Es konnte gezeigt werden, dass HPV-positive OSCC bei einer jüngeren Patientenpopulation mit relativ geringer Komorbidität vorkommen. Deshalb sind anhaltende therapeutische Resultate mit geringen Langzeit-Nebenwirkungen höchst wünschenswert. Das Ziel dieser Arbeit war es, Assoziationen zwischen HR-HPV/p16INK4a –Positivität, CSC-Frequenz und klinisch-pathologischen Parametern von Patienten mit metastasiertem OSCC zu untersuchen. HPV-Genotypenprävalenz und Expression von ALDH1 und p16INK4a wurde in 40 zusammengehörigen OSCC-Primärtumoren- und Metastasen-Paaren untersucht. Es zeigte sich keine Assoziation zwischen HR-HPV mit histologischem Grad und TNM-Tumorstadium. Eine signifikante Korrelation von ALDH1-Positivität im Primärtumor mit niedrigerer Tumordifferenzierung (p=0,009) und höherem nodalem Status (p=0,015) wurde beobachtet. Im Vergleich zu Primärtumoren war der Anteil ALDH1-exprimierender Zellen in Metastasen statistisch signifikant erhöht (p=0,012). Während in HR-HPV-DNA+/p16INK4a- positiven Primärtumoren im Vergleich zu HR-HPV-DNA–/p16INK4a–negativen Primärtumoren signifikant weniger ALDH1-exprimierende Zellen gefunden wurden (p=0,038), zeigte sich in Metastasen kein Unterschied. Zusammenfassend sind HPV- und ALDH1-positive CSC in OSCC und den jeweils korrespondierenden Metastasen nachweisbar. OSCC mit hohen Zahlen an ALDH1-positiven Zellen zeigen einen aggressiveren Phänotyp, der durch eine höhere nodale Klassifikation und niedrigere Differenzierung charakterisiert wird. Dies suggeriert eine, im ALDH1-positiven OSCC-Zellpool enthaltene Subpopulation, die in der Lage ist, die metastatische Kaskade zu komplettieren und nachfolgend in Metastasen, unabhängig von der ursprünglichen Tumorethiologie und des ALDH1-Gehalts, nachweisbar ist.