Radioiodide uptake in thyroid follicular epithelial cells, mediated by a plasma membrane transporter, sodium iodide symporter (NIS), provides a first step mechanism for thyroid cancer detection by radioiodide injection and effective radioiodide treatment for patients with invasive, recurrent, and/or metastatic thyroid cancers after total thyroidectomy. NIS gene transfer to tumor cells may significantly and specifically enhance internal radioactive accumulation of tumors following radioiodide administration, and result in better tumor control. NIS gene transfers have been successfully performed in a variety of tumor animal models by either plasmid-mediated transfection or virus (adenovirus or retrovirus)-mediated gene delivery. These animal models include nude mice xenografted with human melanoma, glioma, breast cancer or prostate cancer, rats with subcutaneous thyroid tumor implantation, as well as the rat intracranial glioma model. In these animal models, non-invasive imaging of in vivo tumors by gamma camera scintigraphy after radioiodide or technetium injection has been performed successfully, suggesting that the NIS can serve as an imaging reporter gene for gene therapy trials. In addition, the tumor killing effects of I-131, ReO4-188 and At-211 after NIS gene transfer have been demonstrated in in vitro clonogenic assays and in vivo radioiodide therapy studies, suggesting that NIS gene can also serve as a therapeutic agent when combined with radioiodide injection. Better NIS-mediated imaging and tumor treatment by radioiodide requires a more efficient and specific system of gene delivery with better retention of radioiodide in tumor. Results thus far are, however, promising, and suggest that NIS gene transfer followed by radioiodide treatment will allow non-invasive in vivo imaging to assess the outcome of gene therapy and provide a therapeutic strategy for a variety of human diseases.
Purpose: Multidrug resistance (MDR) of the cancer cells related to mdr1 gene expression can be effectively treated by selective short hairpin RNA for mdr1 gene (shMDR). Sodium/iodide symporter (NIS) gene is well known to have both reporter and therapeutic gene characteristics. We have co-transfected both shMDR and NIS gene into colon cancer cells (HCT15 cell) expressing MDR and Tc-99m sestamibi and I-125 uptake were measured. In addition, cytotoxic effects of doxorubicin and I-131 therapy were also assessed after transfection. Material and Methods: At first, shMDR was transfected with liposome reagent into human embryonic kidney cells (HEK293) and HCT cells. shMDR transfection was confirmed by RT-PCR and western blot analysis. Adenovirus expressing NIS (Ad-NIS) gene and shMDR (Ad-shMDR) were co-transfected with Ad-NIS into HCT15 cells. Forty-eight hours after infection, inhibition of P-gycoprotein (Pgp) function by shMDR was analyzed by a change of Tc-99m sestamibi uptake and doxorubicin cytotoxicity, and functional activity of induced NIS gene expression was assessed with I-125 uptake assay. Results: In HEK293 cells transfected with shMDR, mdr1 mRNA and Pgp protein expressions were down regulated. HCT15 cells infected with 20 MOI of Ad-NIS was higher NIS protein expression than control cells. After transfection of 300 MOI of Ad-shMDR either with or without 10 MOI of Ad-NIS, uptake of Tc-99m sestamibi increased up to 1.5-fold than control cells. HCT15 cells infected with 10 MOI of Ad-NIS showed approximately 25-fold higher I-125 uptake than control cells. Cotransfection of Ad-shMDR and Ad-NIS resulted in enhanced cytotoxic by doxorubicin in HCT15 cells. I-131 treatment on HCT15 cells infected with 20 MOI of Ad-NIS revealed increased cytotoxic effect. Conclusion: Suppression of mdr1 gene expression, retention of Tc-99m sestamibi, enhanced doxorubicin cytotoxicity and increases in I-125 uptake were achieved in MDR expressing cancer cell by co-transfection of shMDR and NIS gene. Dual therapy with doxorubicin and radioiodine after cotransfection shMDR and NIS gene can be used to overcome MDR.
Kim, Yun-Hui;Lee, Dong-Soo;Kang, Joo-Hyun;Lee, Yong-Jin;Chung, June-Key;Lee, Myung-Chul
The Korean Journal of Nuclear Medicine
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v.38
no.1
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pp.99-108
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2004
Purpose: The ability to noninvasively track the migration of neural progenitor cells would have significant clinical and research implications. We generated stably transfected F3 human neural progenitor cells with human sodium/iodide symporter (hNIS) for noninvasively tracking F3. In this study, the expression patterns of hNIS gene in F3-NIS were examined according to the cultured time and the epigenetic modulation. Materials and Methods: F3 human neural stem cells had been obtained from Dr. Seung U. Kim (Ajou University, Suwon, Korea). hNIS and hygromycin resistance gene were linked with IRES (Internal Ribosome Entry Site) under control of CMV promoter. This construct was transfected to F3 with Liposome. To investigate the restoration of hNIS gene expression in F3-NIS, cells were treated with demethylating agent (5-Azacytidine) and Histone deacetylase inhibitor (Trichostatin A: TSA). The expression of hNIS was measured by I-125 uptake assay and RT-PCR analysis. Results: The iodide uptake of the F3-NIS was higher 12.86 times than F3 cell line. According to the cell passage number, hNIS expression in F3-NIS gradually diminished. After treatment of 5-Azacytidine and TSA with serial doses (up to $20{\mu}M$, up to 62.5nM, respectively) for 24 hours, I-125 uptake and mRNA of hNIS in F3-NIS were increased. Conclusion: These results suggest that hNIS transfected F3 might undergo a change in its biological characters by cell passage. Therefore, the gene ex[ressopm of exogenous gene transferred human stem cell might be affected to the epigenetic modulation such as promoter methylation and Histone deacetylation and to the cell culture conditions.
Park, So-Yeon;Kim, Sung-Jin;Lee, Won-Woo;Lee, Heui-Ran;Kim, Hyun-Joo;Chung, June-Key;Kim, Sang-Eun
Nuclear Medicine and Molecular Imaging
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v.42
no.5
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pp.394-400
/
2008
Purpose: Quantitative comparison of transgene expression within stem cells between lentivirus and adenovirus-mediated delivery systems has not been reported. Here, we evaluated the human sodium iodide symporter (hNIS) gene expression in rat mesenchymal stem cell (rMSC) transduced by lentivirus or adenovirus, and compared the hNIS expression quantitatively between the two delivery systems. Materials and Methods: Lentiviral-mediated hNIS expressing rMSC (lenti-hNIS-rMSC) was constructed by cloning hNIS gene into pLenti6/UbC/V5-DEST (Invitrogen) to obtain pLenti-hNIS, transducing rMSC with the pLenti-hNIS, and selecting with blasticidin for 3 weeks. Recombinant adenovirus expressing hNIS gene (Rad-hNIS) was produced by homologous recombination and transduction efficiency of Rad-hNIS into rMSC evaluated by Rad-GFP was $19.1{\pm}4.7%$, $54.0{\pm}6.4%$, $85.7{\pm}8.7%$, and $98.4{\pm}1.3%$ at MOI 1, 5, 20, and 100, respectively. The hNIS expressions in lenti-hNIS-rMSC or adeno-hNIS-rMSC were assessed by immunocytochemistry, western blot, and 1-125 uptake. Results: Immunocytochemistry and western blot analyses revealed that hNIS expressions in lenti-hNIS-rMSC were greater than those in adeno-hNIS-rMSC at MOI 20 but lower than at MOI 50. However in vitro 1-125 uptake test demonstrated that iodide uptake in lenti-hNIS-rMSC ($29,704{\pm}6,659\; picomole/10^6\;cells$) was greater than that in adeno-hNIS-rMSC at MOI 100 ($6,168{\pm}2,134\;picomole/10^6\;cells$). Conclusion: Despite lower amount of expressed protein, hNIS function in rMSC was greater by lentivirus than by adenovirus mediated expression. Stem cell tracking using hNIS as a reporter gene should be conducted in consideration of relative vector efficiency for transgene expression.
Purpose: Human Na+/I- symporter (hNIS) is known to be expressed in many tissues other than thyroid gland. The breast cancer cells are one of them and the possibility of radioiodine therapy in treatment of the breast cancer may be suggested. We investigated the expression rate of hNIS and the relationship between the expression of hNIS and the finding of 99mTc-MIBI scintimammographv in the breast cancer Materials and Methods: Surgically proved 56 patients with breast cancer were the subjects of this study The expression of hNIS were evaluated by immunohistochemistry and the results were compared to the findings of 99m7c-MIBI scintimammography. Results: Overall expression rate of hNIS was 41.1% in 56 patients. According to the pathologic diagnosis, it was 42.9% in 49 patients with invasive ductal carcinoma and 28.6% in the 7 patients with ductal carcinoma in situ. The expression rate of hNIS in the 41 cases with a focal increased uptake at he breast lesion on 99m7c-MIBI sointimammogram was 31.7%. That in the 15 cases without any abnormal uptake on the scan was significantly higher(65.7%, p<0.05). Conclusion: The expression rate of hNIS in the patients with breast cancer was not so high. The rate was higher in the patients with no increased uptake at the breast lesion on 99m7c-MIBI scintimammography.
Purpose: Both human NIS and mutant $D_2R$ transgenes are proposed as reporting system in transplanted cell tracking. Using hepatoma cell lines, we constructed a dual reporter system containing human sodium-iodide symporter (hNIS) and dopamine 2 receptor ($D_2R$) and compared its characteristics. Materials and Methods: The recombinant plasmid ($pIRES-hNIS/D_2R$) was constructed with IRES (internal ribosome entry site) under control of the CMV promoter $pIRES-hNIS/D_2R$ was transfected to human hepatoma SK-Hep1 cell line with lipofectamine. HEP-ND ($SK-Hep1-hNIS/D_2R$) cells stably expressing hNIS and $D_2R$ was established by selection with G418 for two weeks. RT-PCR was performed to investigate the expression of both hNIS and $D_2R$ genes. The expressions of hNIS and $D_2R$ were measured by $^{125}I$ uptake assays and receptor binding assays. Specific binding of $D_2R$ to $[^3H]spiperone$ was verified by Scatchard plot with (+) butaclamol as a specific inhibitor. $K_d\;and\;B_{max}$ values were estimated. The correlation between hNIS and $D_2R$ expression was compared by using each clone. Results: Similar quantities of hNIS and $D_2R$ genes were expressed on HEP-ND as RT-PCR assays. HEP-ND cells showed 30 to 40 fold higher radioiodine uptakes than those of parental SK-Hep1 cells. $^{125}I$ uptake in HEP-ND cells was completely inhibited by $KClO_4$, a NIS inhibitor Specific binding to HEP-ND cells was saturable and the $K_d\;and\;B_{max}$ values for HEP-ND cells were 2.92 nM, 745.25 fmol/mg protein and 2.91nM, 1323 fmole/mg protein in two clones, respectively. The radioiodine uptake by hNIS activity and $D_2R$ binding was highly correlated. Conclusion: We developed a dual positron and gamma imaging reporter system of hNIS and $D_2R$ in a stably transfected cell line. We expect that $D_2R$ and hNIS genes can complement mutually as a nuclear reporting system or that $D_2R$ can be used as reporter gene when hNIS gene were used as a treatment gene.
Purpose: Dual reporter gene imaging has several advantages for more sophisticated molecular imaging studies such as gene therapy monitoring. Herein, we have constructed hepatoma cell line expressing dual reporter genes of sodium iodide symporter (NIS) and enhanced green fluorescence protein (EGFP), and the functionalities of the genes were evaluated in vivo by nuclear and optical imaging. Materials and Methods: A pRetro-PN vector was constructed after separating NIS gene from pcDNA-NIS. RSV-EGFP-WPRE fragment separated from pLNRGW was cloned into pRetro-PN vector. The final vector expressing dual reporter genes was named pRetro-PNRGW. A human hepatoma (HepG2) cells were transfected by the retrovirus containing NIS and EGFP gene (HepG2-NE). Expression of NIS gene was confirmed by RT-PCR, radioiodine uptake and efflux studies. Expression of EGFP was confirmed by RT-PCR and fluorescence microscope. The HepG2 and HepG2-NE cells were implanted in shoulder and hindlimb of nude mice, then fluorescence image, gamma camera image and I-124 microPET image were undertaken. Results: The HepG2-NE cell was successfully constructed. RT-PCR showed NIS and EGFP mRNA expression. About 50% of cells showed fluorescence. The iodine uptake of NIS-expressed cells was about 9 times higher than control. In efflux study, $T_{1/2}$ of HepG2-NE cells was 9 min. HepG2-NE xenograft showed high signal-to-background fluorescent spots and higher iodine-uptake compared to those of HepG2 xenograft. Conclusion: A hepatoma cell line expressing NIS and EGFP dual reporter genes was successfully constructed and could be used as a potential either by therapeutic gene or imaging reporter gene.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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