Although in vitro models have been a cornerstone of anti-cancer drug development, their direct applicability to clinical cancer research has been uncertain. Using a state-of-the-art Taqman-based quantitative RT-PCR assay, we investigated the multidrug resistance (MDR) transcriptome of six cancer types, in established cancer cell lines (grown in monolayer, 3D scaffold, or in xenograft) and clinical samples, either containing >75% tumor cells or microdissected. The MDR transcriptome was determined a priori based on an extensive curation of the literature published during the last three decades, which led to the enumeration of 380 genes. No correlation was found between clinical samples and established cancer cell lines. As expected, we found up-regulation of genes that would facilitate survival across all cultured cancer cell lines evaluated. More troubling, however, were data showing that all of the cell lines, grown either in vitro or in vivo, bear more resemblance to each other, regardless of the tissue of origin, than to the clinical samples they are supposed to model. Although cultured cells can be used to study many aspects of cancer biology and response of cells to drugs, this study emphasizes the necessity for new in vitro cancer models and the use of primary tumor models in which gene expression can be manipulated and small molecules tested in a setting that more closely mimics the in vivo cancer microenvironment so as to avoid radical changes in gene expression profiles brought on by extended periods of cell culture.

Abstract Evidence is accumulating that solid tumors contain a rare phenotypically distinct population of cells, termed cancer stem cells (CSC), which give rise to and maintain the bulk of the tumor. These CSC are thought to be resistant to current chemotherapeutic strategies due to their intrinsic stem-like properties and thus may provide the principal driving force behind recurrent tumor growth. Given the high frequency of recurrent metastasis associated with human ovarian cancer, we sought to determine whether primary human ovarian tumors contain populations of cells with enhanced tumor-initiating capacity, a characteristic of CSC. Using an in vivo serial transplantation model, we show that primary uncultured human ovarian tumors can be reliably propagated in NOD/SCID mice, generating heterogeneous tumors that maintain the histological integrity of the parental tumor. The observed frequency of tumor engraftment suggests only certain subpopulations of ovarian tumor cells have the capacity to recapitulate tumor growth. Further profiling of human ovarian tumors for expression of candidate CSC surface markers indicated consistent expression of CD133. To determine whether CD133 expression could define a tumor-initiating cell population in primary human ovarian tumors, fluorescence-activated cell sorting (FACS) methods were employed. Injection of sorted CD133+ and CD133− cell populations into NOD/SCID mice established that tumor-derived CD133+ cells have an increased tumorigenic capacity and are capable of recapitulating the original heterogeneous tumor. Our data indicate that CD133 expression defines a NOD/SCID tumor initiating subpopulation of cells in human ovarian cancer that may be an important target for new chemotherapeutic strategies aimed at eliminating ovarian cancer. Disclosure of potential conflicts of interest is found at the end of this article.

Hypoxia inducible factor-1 (HIF-1) is considered a crucial mediator of the cellular response to hypoxia through its regulation of genes that control angiogenesis1,2,3,4. It represents an attractive therapeutic target5,6 in colon cancer, one of the few tumor types that shows a clinical response to antiangiogenic therapy7. But it is unclear whether inhibition of HIF-1 alone is sufficient to block tumor angiogenesis8,9. In HIF-1α knockdown DLD-1 colon cancer cells (DLD-1HIF-kd), the hypoxic induction of vascular endothelial growth factor (VEGF) was only partially blocked. Xenografts remained highly vascularized with microvessel densities identical to DLD-1 tumors that had wild-type HIF-1α (DLD-1HIF-wt). In addition to the preserved expression of VEGF, the proangiogenic cytokine interleukin (IL)-8 was induced by hypoxia in DLD-1HIF-kd but not DLD-1HIF-wt cells. This induction was mediated by the production of hydrogen peroxide and subsequent activation of NF-κB. Furthermore, the KRAS oncogene, which is commonly mutated in colon cancer, enhanced the hypoxic induction of IL-8. A neutralizing antibody to IL-8 substantially inhibited angiogenesis and tumor growth in DLD-1HIF-kd but not DLD-1HIF-wt xenografts, verifying the functional significance of this IL-8 response. Thus, compensatory pathways can be activated to preserve the tumor angiogenic response, and strategies that inhibit HIF-1α may be most effective when IL-8 is simultaneously targeted.

Improved biomarkers are needed for early cancer detection, risk stratification, treatment selection, and monitoring treatment response. While proteins can be useful blood-based biomarkers, many have limited sensitivity or specificity for these applications. Long INterspersed Element-1 (LINE-1, L1) open reading frame 1 protein (ORF1p) is a transposable element protein overexpressed in carcinomas and high-risk precursors during carcinogenesis with negligible detectable expression in corresponding normal tissues, suggesting ORF1p could be a highly specific cancer biomarker. To explore the potential of ORF1p as a blood-based biomarker, we engineered ultrasensitive digital immunoassays that detect mid-attomolar (10-17 M) ORF1p concentrations in patient plasma samples across multiple cancers with high specificity. Plasma ORF1p shows promise for early detection of ovarian cancer, improves diagnostic performance in a multi-analyte panel, and provides early therapeutic response monitoring in gastric and esophageal cancers. Together, these observations nominate ORF1p as a multi-cancer biomarker with potential utility for disease detection and monitoring.

Ovarian cancer is a heterogeneous group of tumors in both cell type and natural history. While outcomes are generally favorable when detected early, the most common subtype, high-grade serous carcinoma (HGSOC), typically presents at an advanced stage and portends less favorable prognoses. Its aggressive nature has thwarted early detection efforts through conventional detection methods such as serum CA125 and ultrasound screening and thus inspired the investigation of novel biomarkers. Here, we report the systematic development of an extracellular-vesicle (EV)-based test to detect early-stage HGSOC. Our study is based on emerging insights into HGSOC biology, notably that it arises from precursor lesions within the fallopian tube before traveling to ovarian and/or peritoneal surfaces. To identify HGSOC marker candidates, we established murine fallopian tube (mFT) cells with oncogenic mutations in Brca1/2, Tp53 , and Pten genes, and performed proteomic analyses on mFT EVs. The identified markers were then evaluated with an orthotopic HGSOC animal model. In serially-drawn blood samples of tumor-bearing mice, mFT-EV markers increased with tumor initiation, supporting their potential use in early cancer detection. A pilot human clinical study ( n = 51) further narrowed EV markers to five candidates, EpCAM, CD24, VCAN, HE4, and TNC. Combined expression of these markers achieved high OvCa diagnostic accuracy (cancer vs. non-cancer) with a sensitivity of 0.89 and specificity of 0.93. The same five markers were also effective in a three-group classification: non-cancer, early-stage (I & II) HGSOC, and late-stage (III & IV) HGSOC. In particular, they differentiated early-stage HGSOC from the rest with a specificity of 0.91. Minimally invasive and repeatable, this EV-based testing could be a versatile and serial tool for informing patient care and monitoring women at high risk for ovarian cancer.

To interrogate functional heterogeneity and crosstalk between tumor cells, we generated clonal populations from a patient-derived ovarian clear cell carcinoma model which forms malignant ascites and solid peritoneal tumors upon intraperitoneal transplantation in mice. The clonal populations were engineered with secreted Gaussia luciferase to monitor tumor growth dynamics and tagged with a unique DNA barcode to track their fate in multiclonal mixtures during tumor progression. Only one clone, CL31, grew robustly, generating exclusively malignant ascites. However, multiclonal mixtures formed large solid peritoneal metastases, populated almost entirely by CL31, suggesting that transient cooperative interclonal interactions were sufficient to promote metastasis of CL31. CL31 uniquely harbored ERBB2 amplification, and its acquired metastatic trait was dependent on transient exposure to amphiregulin, which was exclusively secreted by non-tumorigenic clones. Amphiregulin enhanced CL31 mesothelial clearance, a prerequisite for metastasis. These findings demonstrate that transient, ostensibly innocuous tumor subpopulations can promote metastases via ″hit-and-run″ commensal interactions.

Multiple chemotherapies are proposed to cause cell death in part by increasing the steady-state levels of cellular reactive oxygen species (ROS). However, for most of these drugs exactly how the resultant ROS function and are sensed is poorly understood. In particular, it's unclear which proteins the ROS modify and their roles in chemotherapy sensitivity/resistance. To answer these questions, we examined 11 chemotherapies with an integrated proteogenomic approach identifying many unique targets for these drugs but also shared ones including ribosomal components, suggesting one mechanism by which chemotherapies regulate translation. We focus on CHK1 which we find is a nuclear H 2 O 2 sensor that promotes an anti-ROS cellular program. CHK1 acts by phosphorylating the mitochondrial-DNA binding protein SSBP1, preventing its mitochondrial localization, which in turn decreases nuclear H 2 O 2 . Our results reveal a druggable nucleus-to-mitochondria ROS sensing pathway required to resolve nuclear H 2 O 2 accumulation, which mediates resistance to platinum-based chemotherapies in ovarian cancers.

Abstract Ovarian cancer (OvCa) is the most lethal of the gynecologic malignancies. Immune checkpoint inhibitors, which have revolutionized the treatment of multiple malignancies, have had limited efficacy in OvCa patients. Here, using syngeneic OvCa models and genetic and pharmacologic perturbations, we discovered that losartan – a widely prescribed anti-hypertensive drug – exhibits dual effects on both the tumor microenvironment and cancer cells to sensitize OvCa to chemo-immunotherapy. Specifically, losartan treatment i) reprograms the tumor microenvironment leading to increased vascular perfusion, and thus enhances drug delivery and immune effector cell intratumoral infiltration and function; and ii) rewires the OvCa cells by suppressing the IGF-1 signaling, resulting in enhanced chemosensitivity. As a result of the combined tumor and stromal effects, losartan treatment enhances the efficacy of chemo-immunotherapy in OvCa models. The safety and low cost (less than $1-2/day) of losartan warrant rapid translation of our findings to patients with OvCa.