Abstract This study addresses the role of PTEN loss in intrinsic resistance to the BRAF inhibitor PLX4720. Immunohistochemical staining of a tissue array covering all stages of melanocytic neoplasia (n = 192) revealed PTEN expression to be lost in >10% of all melanoma cases. Although PTEN expression status did not predict for sensitivity to the growth inhibitory effects of PLX4720, it was predictive for apoptosis, with only limited cell death observed in melanomas lacking PTEN expression (PTEN−). Mechanistically, PLX4720 was found to stimulate AKT signaling in the PTEN− but not the PTEN+ cell lines. Liquid chromatography multiple reaction monitoring mass spectrometry (LC-MRM) was performed to identify differences in apoptosis signaling between the two cell line groups. PLX4720 treatment significantly increased BIM expression in the PTEN+ (>14-fold) compared with the PTEN− cell lines (four-fold). A role for PTEN in the regulation of PLX4720-mediated BIM expression was confirmed by siRNA knockdown of PTEN and through reintroduction of PTEN into cells that were PTEN−. Further studies showed that siRNA knockdown of BIM significantly blunted the apoptotic response in PTEN+ melanoma cells. Dual treatment of PTEN− cells with PLX4720 and a PI3K inhibitor enhanced BIM expression at both the mRNA and protein level and increased the level of apoptosis through a mechanism involving AKT3 and the activation of FOXO3a. In conclusion, we have shown for the first time that loss of PTEN contributes to intrinsic BRAF inhibitor resistance via the suppression of BIM-mediated apoptosis. Cancer Res; 71(7); 2750–60. ©2011 AACR.

Abstract Prurigo nodularis (PN) is an intensely pruritic, chronic inflammatory skin disease that disproportionately affects black patients. However, the pathogenesis of PN is poorly understood. We performed single-cell transcriptomic profiling, ligand receptor analysis and cell trajectory analysis of 28,695 lesional and non-lesional PN skin cells to uncover disease-identifying cell compositions and genetic characteristics. We uncovered a dysregulated role for fibroblasts (FBs) and myofibroblasts as a key pathogenic element in PN, which were significantly increased in PN lesional skin. We defined seven unique subclusters of FBs in PN skin and observed a shift of PN lesional FBs towards a cancer-associated fibroblast (CAF)-like phenotype, with WNT5A+ CAFs increased in the skin of PN patients and similarly so in squamous cell carcinoma (SCC). A multi-center PN cohort study subsequently revealed an increased risk of SCC as well as additional CAF-associated malignancies in PN patients, including breast and colorectal cancers. Systemic fibroproliferative diseases were also upregulated in PN patients, including renal sclerosis and idiopathic pulmonary fibrosis. Ligand receptor analyses demonstrated increased FB1-derived WNT5A and periostin interactions with neuronal receptors MCAM and ITGAV, suggesting a fibroblast-neuronal axis in PN. Type I IFN responses in immune cells and increased angiogenesis/permeability in endothelial cells were also observed. As compared to atopic dermatitis (AD) and psoriasis (PSO) patients, increased mesenchymal dysregulation is unique to PN with an intermediate Th2/Th17 phenotype between atopic dermatitis and psoriasis. These findings identify a pathogenic role for CAFs in PN, including a novel targetable WNT5A+ fibroblast subpopulation and CAF-associated malignancies in PN patients.

ABSTRACT The loss of the intercellular adhesion molecule E-cadherin is a hallmark of the epithelial- mesenchymal transition (EMT), during which tumor cells transition into an invasive phenotype. Accordingly, E-cadherin has long been considered a tumor suppressor gene. Using novel multi-compartment spheroids and multiple in vivo models, we show that E-cadherin promotes a hyper-proliferative phenotype in breast cancer cells via interaction with the transmembrane receptor EGFR. This interaction results in the activation of the MEK/ERK signaling pathway, leading to a significant increase in proliferation via the activation of transcription factors including c-Fos. Pharmacological inhibition of MEK activity in E-cadherin positive breast cancer cells significantly decreases both tumor growth and macro-metastasis in vivo . This work provides evidence for a novel role of E-cadherin in breast tumor growth and identifies a potential new target to treat hyper-proliferative E-cadherin-positive breast tumors.

Abstract Melanoma is a highly plastic tumor characterized by dynamic interconversion of different cell identities depending on the biological context. For example, melanoma cells with high expression of the H3K4 demethylase KDM5B (JARID1B) rest in a slow-cycling, yet reversible persister state. Over time, KDM5B high cells can promote rapid tumor repopulation with equilibrated KDM5B expression heterogeneity. The cellular identity of KDM5B high persister cells has not been studied so far, missing an important cell state-directed treatment opportunity in melanoma. Here, we have established a doxycycline-titratable system for genetic induction of permanent intratumor expression of KDM5B and screened for chemical agents that phenocopy this effect. Transcriptional profiling and cell functional assays confirmed that the dihydropyridine phenoxyethyl 4-(2-fluorophenyl)-2,7,7-trimethyl-5-oxo-1,4,5,6,7,8-hexa-hydro-quinoline-3-carboxylate (termed Cpd1) supports high KDM5B expression and directs melanoma cells towards differentiation along the melanocytic lineage and to cell cycle-arrest. The high KDM5B state additionally prevents cell proliferation through negative regulation of cytokinetic abscission. Moreover, treatment with Cpd1 promoted the expression of the melanocyte-specific tyrosinase gene specifically sensitizing melanoma cells for the tyrosinase-processed antifolate prodrug 3-O-(3,4,5-trimethoxybenzoyl)-(-)-epicatechin (TMECG). In summary, our study provides proof-of-concept for a new dual hit strategy in melanoma, in which persister state-directed transitioning limits tumor growth and plasticity and primes melanoma cells towards lineage-specific elimination.

Abstract Resistance to combination BRAF/MEK inhibitor (BRAFi/MEKi) therapy arises in nearly every patient with BRAF V600E/K melanoma, despite promising initial responses. Achieving cures in this expanding BRAFi/MEKi-resistant cohort represents one of the greatest challenges to the field; few experience additional durable benefit from immunotherapy and no alternative therapies exist. To better personalize therapy in cancer patients to address therapy relapse, umbrella trials have been initiated whereby genomic sequencing of a panel of potentially actionable targets guide therapy selection for patients; however, the superior efficacy of such approaches remains to be seen. We here test the robustness of the umbrella trial rationale by analyzing relationships between genomic status of a gene and the downstream consequences at the protein level of related pathway, which find poor relationships between mutations, copy number amplification, and protein level. To profile candidate therapeutic strategies that may offer clinical benefit in the context of acquired BRAFi/MEKi resistance, we established a repository of p atient- d erived x enograft models from heavily pretreated patients with resistance to BRAFi/MEKi and/or immunotherapy (R-PDX). With these R-PDXs, we executed in vivo compound repurposing screens using 11 FDA-approved agents from an NCI-portfolio with pan-RTK, non-RTK and/or PI3K-mTOR specificity. We identify dasatinib as capable of restoring BRAFi/MEKi antitumor efficacy in ∼70% of R-PDX tested. A systems-biology analysis indicates elevated baseline protein expression of canonical drivers of therapy resistance (e.g., AXL, YAP, HSP70, phospho-AKT) as predictive of MAPKi/dasatinib sensitivity. We therefore propose that dasatinib-based MAPKi therapy may restore antitumor efficacy in patients that have relapsed to standard-of-care therapy by broadly targeting proteins critical in melanoma therapy escape. Further, we submit that this experimental PDX paradigm could potentially improve preclinical evaluation of therapeutic modalities and augment our ability to identify biomarker-defined patient subsets that may respond to a given clinical trial. SINGLE SENTENCE SUMMARY Broad target inhibition effective as a salvage strategy in BRAF/MEK inhibitor-acquired resistance PDX

ABSTRACT Chimeric antigen receptor (CAR) T cells express antigen-specific synthetic receptors, which upon binding to cancer cells, elicit T cell anti-tumor responses. CAR T cell therapy has enjoyed success in the clinic for hematological cancer indications, giving rise to decade-long remissions in some cases. However, CAR T therapy for patients with solid tumors has not seen similar success. Solid tumors constitute 90% of adult human cancers, representing an enormous unmet clinical need. Current approaches do not solve the central problem of limited ability of therapeutic cells to migrate through the stromal matrix. We discover that T cells at low and high density display low- and high-migration phenotypes, respectively. The highly migratory phenotype is mediated by a paracrine pathway from a group of self-produced cytokines that include IL5, TNFα, IFNγ, and IL8. We exploit this finding to “lock-in” a highly migratory phenotype by developing and expressing receptors, which we call velocity receptors (VRs). VRs target these cytokines and signal through these cytokines’ cognate receptors to increase T cell motility and infiltrate lung, ovarian, and pancreatic tumors in large numbers and at doses for which control CAR T cells remain confined to the tumor periphery. In contrast to CAR therapy alone, VR-CAR T cells significantly attenuate tumor growth and extend overall survival. This work suggests that approaches to the design of immune cell receptors that focus on migration signaling will help current and future CAR cellular therapies to infiltrate deep into solid tumors.

We present a, mathematical model driven, framework to implement virtual or imaginary clinical trials (phase i trials) that can be used to bridge the gap between preclinical studies and the clinic. The trial implementation process includes the development of an experimentally validated mathematical model, generation of a cohort of heterogeneous virtual patients, an assessment of stratification factors, and optimization of treatment strategy. We show the detailed process through application to melanoma treatment, using a combination therapy of chemotherapy and an AKT inhibitor, which was recently tested in a phase 1 clinical trial. We developed a mathematical model, composed of ordinary differential equations, based on experimental data showing that such therapies differentially induce autophagy in melanoma cells. Model parameters were estimated using an optimization algorithm that minimizes differences between predicted cell populations and experimentally measured cell numbers. The calibrated model was validated by comparing predicted cell populations with experimentally measured melanoma cell populations in twelve different treatment scheduling conditions. By using this validated model as the foundation for a genetic algorithm, we generated a cohort of virtual patients that mimics the heterogeneous combination therapy responses observed in a companion clinical trial. Sensitivity analysis of this cohort defined parameters that discriminated virtual patients having more favorable versus less favorable outcomes. Finally, the model predicts optimal therapeutic approaches across all virtual patients.

Patient-derived xenografts (PDXs) are resected human tumors engrafted into mice for preclinical studies and therapeutic testing. It has been proposed that the mouse host affects tumor evolution during PDX engraftment and propagation, impacting the accuracy of PDX modeling of human cancer. Here we exhaustively analyze copy number alterations (CNAs) in 1451 PDX and matched patient tumor (PT) samples from 509 PDX models. CNA inferences based on DNA sequencing and microarray data displayed substantially higher resolution and dynamic range than gene expression-based inferences, and they also showed strong CNA conservation from PTs through late-passage PDXs. CNA recurrence analysis of 130 colorectal and breast PT/PDX-early/PDX-late trios confirmed high-resolution CNA retention. We observed no significant enrichment of cancer-related genes in PDX-specific CNAs across models. Moreover, CNA differences between patient and PDX tumors were comparable to variations in multi-region samples within patients. Our study demonstrates the lack of systematic copy number evolution driven by the PDX mouse host.

Abstract Aged patients with melanoma (>65 years old) have more aggressive disease relative to young patients (<55 years old) for reasons that are not completely understood. Analysis of the young and aged secretome from human dermal fibroblasts identified >5-fold levels of IGF-binding protein 2 (IGFBP2) in the aged fibroblast secretome. IGFBP2 functionally triggers upregulation of the PI3K-dependent fatty acid biosynthesis program in melanoma cells. Melanoma cells co-cultured with aged dermal fibroblasts have higher levels of lipids relative to those co-cultured with young dermal fibroblasts, which can be lowered by silencing IGFBP2 expression in fibroblasts prior to treating with conditioned media. Conversely, ectopically treating melanoma cells with recombinant IGFBP2 in the presence of conditioned media from young fibroblasts or overexpressing IGFBP2 in melanoma cells promoted lipid synthesis and accumulation in melanoma cells. Treatment of young mice with rIGFBP2 increases tumor growth. Neutralizing IGFBP2 in vitro reduces migration and invasion in melanoma cells, and in vivo studies demonstrate that neutralizing IGFBP2 in syngeneic aged mice reduces tumor growth and metastasis. Our results suggest that aged dermal fibroblasts increase melanoma cell aggressiveness through increased secretion of IGFBP2, stressing the importance of considering age when designing studies and treatment. Significance: The aged microenvironment drives metastasis in melanoma cells. This study reports that IGFBP2 secretion by aged fibroblasts induces lipid accumulation in melanoma cells, driving an increase in tumor invasiveness. Neutralizing IGFBP2 decreases melanoma tumor growth and metastasis.

Aged melanoma patients (>65 years old) have more aggressive disease relative to young patients (<55 years old) for reasons that are not completely understood. Analysis of the young and aged secretome from human dermal fibroblasts identified >5-fold levels of insulin-like growth factor binding protein 2 (IGFBP2) in the aged fibroblast secretome. IGFBP2 functionally triggers upregulation of the PI3K-dependent fatty acid biosynthesis program in melanoma cells through increases in FASN. Melanoma cells co-cultured with aged dermal fibroblasts have higher levels of lipids relative to young dermal fibroblasts, which can be lowered by silencing IGFBP2 expression in fibroblasts, prior to treating with conditioned media. Conversely, ectopically treating melanoma cells with recombinant IGFBP2 in the presence of conditioned media from young fibroblasts, promoted lipid synthesis and accumulation in the melanoma cells. Neutralizing IGFBP2 in vitro reduces migration and invasion in melanoma cells, and in vivo studies demonstrate that neutralizing IGFBP2 in syngeneic aged mice, ablates tumor growth as well as metastasis. Conversely, ectopic treatment of young mice with IGFBP2 in young mice increases tumor growth and metastasis. Our data reveal that aged dermal fibroblasts increase melanoma cell aggressiveness through increased secretion of IGFBP2, stressing the importance of considering age when designing studies and treatment.The aged microenvironment drives metastasis in melanoma cells. This study reports that IGFBP2 secretion by aged fibroblasts induces FASN in melanoma cells and drives metastasis. Neutralizing IGFBP2 decreases melanoma tumor growth and metastasis.