Abstract Cancer stem cells (CSCs) drive cancer metastatic dissemination. They do not do so in a vacuum, and the important influence of the tumour microenvironment (TME) on metastatic dissemination is becoming increasingly recognised. Therapeutic targeting of CSC-TME interactions may be a promising route to suppression of tumour metastasis. However, we must first understand how interactions with the TME influence CSC metastatic dissemination. To achieve this understanding, there is a need for experimental models that enable the analysis of dynamic interactions at single cell resolution within a complex environment. To this end, we utilise a metastasis-on-a-chip device to produce a 3D in vitro model of CSC interaction with a developing microvasculature, that is amenable to precise imaging and real time studies at single cell resolution. We show that the invasive phenotype of oral squamous cell carcinoma (OSCC) cells is markedly altered when in proximity to a microvasculature, with a switch to a hybrid CSC phenotype that undergoes collective streaming invasion. Mechanistically, ECM compression by the developing vasculature creates an environment that is refractory to cancer invasion, whilst leaving abandoned vascular tracks that can be utilised by hybrid CSCs for collective streaming invasion. Human tissue studies identify streaming invasion in association with vascularised regions in OSCC specimens. These findings elucidate the influence of the vasculature on CSC metastatic dissemination in OSCC, and the role of hybrid CSC invasion plasticity in overcoming this TME constraint.

Cancer stem cells undergo epithelial-mesenchymal transition (EMT) to drive metastatic dissemination in experimental cancer models. However, tumour cells undergoing EMT have not been observed disseminating into the tissue surrounding human tumour specimens, leaving the relevance to human cancer uncertain. Here, we identify an EMT stem cell state that retains EpCAM and CD24 after undergoing EMT and exhibits enhanced plasticity. This afforded the opportunity to investigate whether retention of EpCAM and CD24 alongside upregulation of the EMT marker Vimentin can identify disseminating EMT stem cells in human oral cancer specimens. Examining disseminating tumour cells in the stromal region of 3500 imaging fields from 24 human oral cancer specimens, evenly divided into metastatic and non-metastatic specimens, we see a significant enrichment of EpCAM, CD24 and Vimentin co-stained cells in metastatic specimens. Through training an artificial neural network on the EpCAM, CD24 and Vimentin co-staining, we predict metastasis with high accuracy (F1 0.91; AUC 0.87). We have observed, for the first time, disseminating EMT stem cells in patient histological specimens and demonstrated their utility for predicting metastatic disease.