Epithelial-mesenchymal transition (EMT) of adherent epithelial cells to a migratory mesenchymal state has been implicated in tumor metastasis in preclinical models. To investigate its role in human cancer, we characterized EMT in circulating tumor cells (CTCs) from breast cancer patients. Rare primary tumor cells simultaneously expressed mesenchymal and epithelial markers, but mesenchymal cells were highly enriched in CTCs. Serial CTC monitoring in 11 patients suggested an association of mesenchymal CTCs with disease progression. In an index patient, reversible shifts between these cell fates accompanied each cycle of response to therapy and disease progression. Mesenchymal CTCs occurred as both single cells and multicellular clusters, expressing known EMT regulators, including transforming growth factor (TGF)-β pathway components and the FOXC1 transcription factor. These data support a role for EMT in the blood-borne dissemination of human breast cancer.

Rare circulating tumor cells (CTCs) present in the bloodstream of patients with cancer provide a potentially accessible source for detection, characterization, and monitoring of nonhematological cancers. We previously demonstrated the effectiveness of a microfluidic device, the CTC-Chip, in capturing these epithelial cell adhesion molecule (EpCAM)-expressing cells using antibody-coated microposts. Here, we describe a high-throughput microfluidic mixing device, the herringbone-chip, or “HB-Chip,” which provides an enhanced platform for CTC isolation. The HB-Chip design applies passive mixing of blood cells through the generation of microvortices to significantly increase the number of interactions between target CTCs and the antibody-coated chip surface. Efficient cell capture was validated using defined numbers of cancer cells spiked into control blood, and clinical utility was demonstrated in specimens from patients with prostate cancer. CTCs were detected in 14 of 15 (93%) patients with metastatic disease (median = 63 CTCs/mL, mean = 386 ± 238 CTCs/mL), and the tumor-specific TMPRSS2-ERG translocation was readily identified following RNA isolation and RT-PCR analysis. The use of transparent materials allowed for imaging of the captured CTCs using standard clinical histopathological stains, in addition to immunofluorescence-conjugated antibodies. In a subset of patient samples, the low shear design of the HB-Chip revealed microclusters of CTCs, previously unappreciated tumor cell aggregates that may contribute to the hematogenous dissemination of cancer.

A multistage microfluidic chip is capable of sorting rare EpCAM + and EpCAM − CTCs from cancer patients’ whole blood.

Staying one step ahead of tumors Cancer treatments require continual adjustment. A drug that works initially will lose its potency as the tumor acquires new mutations that allow it to bypass the drug's lethal effects. To stay ahead of the tumor, oncologists need a noninvasive way to collect tumor cells from patients over the course of their treatment. Analyzing the mutations in these samples may help them choose the right drugs as the tumors change. In a small study of breast cancer patients, Yu et al. show that rare tumor cells circulating in the blood can be captured in viable form and used for this purpose. Science , this issue p. 216

Automated imaging of prostate-specific cancer cells from the blood provides a measure of circulating tumor cell half-life after tumor resection.

Circulating tumour cells (CTCs) shed into blood from primary cancers include putative precursors that initiate distal metastases. Although these cells are extraordinarily rare, they may identify cellular pathways contributing to the blood-borne dissemination of cancer. Here, we adapted a microfluidic device for efficient capture of CTCs from an endogenous mouse pancreatic cancer model and subjected CTCs to single-molecule RNA sequencing, identifying Wnt2 as a candidate gene enriched in CTCs. Expression of WNT2 in pancreatic cancer cells suppresses anoikis, enhances anchorage-independent sphere formation, and increases metastatic propensity in vivo. This effect is correlated with fibronectin upregulation and suppressed by inhibition of MAP3K7 (also known as TAK1) kinase. In humans, formation of non-adherent tumour spheres by pancreatic cancer cells is associated with upregulation of multiple WNT genes, and pancreatic CTCs revealed enrichment for WNT signalling in 5 out of 11 cases. Thus, molecular analysis of CTCs may identify candidate therapeutic targets to prevent the distal spread of cancer.

The Hippo signalling pathway regulates cellular proliferation and survival, thus has profound effects on normal cell fate and tumorigenesis. The pivotal effector of this pathway is YAP (yes-associated protein), a transcriptional co-activator amplified in mouse and human cancers, where it promotes epithelial to mesenchymal transition (EMT) and malignant transformation. So far, studies of YAP target genes have focused on cell-autonomous mediators; here we show that YAP-expressing MCF10A breast epithelial cells enhance the proliferation of neighbouring untransfected cells, implicating a non-cell-autonomous mechanism. We identify the gene for the epidermal growth factor receptor (EGFR) ligand amphiregulin (AREG) as a transcriptional target of YAP, whose induction contributes to YAP-mediated cell proliferation and migration, but not EMT. Knockdown of AREG or addition of an EGFR kinase inhibitor abrogates the proliferative effects of YAP expression. Suppression of the negative YAP regulators LATS1 and 2 (large tumour suppressor 1 and 2) is sufficient to induce AREG expression, consistent with physiological regulation of AREG by the Hippo pathway. Genetic interaction between the Drosophila YAP orthologue Yorkie and Egfr signalling components supports the link between these two highly conserved signalling pathways. Thus, YAP-dependent secretion of AREG indicates that activation of EGFR signalling is an important non-cell-autonomous effector of the Hippo pathway, which has implications for the regulation of both physiological and malignant cell proliferation.

Loss of cell polarity proteins such as Scribble induces neoplasia in Drosophila by promoting uncontrolled proliferation. In mammals, the role that polarity proteins play during tumorigenesis is not well understood. Here, we demonstrate that depletion of Scribble in mammary epithelia disrupts cell polarity, blocks three-dimensional morphogenesis, inhibits apoptosis, and induces dysplasia in vivo that progress to tumors after long latency. Loss of Scribble cooperates with oncogenes such as c-myc to transform epithelial cells and induce tumors in vivo by blocking activation of an apoptosis pathway. Like depletion, mislocalization of Scribble from cell-cell junction was sufficient to promote cell transformation. Interestingly, spontaneous mammary tumors in mice and humans possess both downregulated and mislocalized Scribble. Thus, we demonstrate that scribble inhibits breast cancer formation and that deregulation of polarity pathways promotes dysplastic and neoplastic growth in mammals by disrupting morphogenesis and inhibiting cell death.

Patient-derived circulating tumour cells are used to characterize the dynamics and underlying plasticity of HER2 expression in non-HER2-amplified breast tumours. These authors characterize circulating tumour cells from patients with advanced estrogen-receptor-positive/HER2-negative breast cancer and find that they can interconvert between two different states. One subpopulation acquires HER2 expression, displays activation of multiple RTK signalling pathways and is highly proliferative. A second population lacks HER2 expression but has elevated Notch1 levels. The HER2-negative population is less proliferative; it is highly resistant to cytotoxic agents but sensitive to Notch1 inhibitors. The rapid interconversion between proliferative and drug-resistant circulating tumour cell subpopulations raises the possibility that simultaneous combination therapy may be of clinical value. Circulating tumour cells in women with advanced oestrogen-receptor (ER)-positive/human epidermal growth factor receptor 2 (HER2)-negative breast cancer acquire a HER2-positive subpopulation after multiple courses of therapy1,2. In contrast to HER2-amplified primary breast cancer, which is highly sensitive to HER2-targeted therapy, the clinical significance of acquired HER2 heterogeneity during the evolution of metastatic breast cancer is unknown. Here we analyse circulating tumour cells from 19 women with ER+/HER2− primary tumours, 84% of whom had acquired circulating tumour cells expressing HER2. Cultured circulating tumour cells maintain discrete HER2+ and HER2− subpopulations: HER2+ circulating tumour cells are more proliferative but not addicted to HER2, consistent with activation of multiple signalling pathways; HER2− circulating tumour cells show activation of Notch and DNA damage pathways, exhibiting resistance to cytotoxic chemotherapy, but sensitivity to Notch inhibition. HER2+ and HER2− circulating tumour cells interconvert spontaneously, with cells of one phenotype producing daughters of the opposite within four cell doublings. Although HER2+ and HER2− circulating tumour cells have comparable tumour initiating potential, differential proliferation favours the HER2+ state, while oxidative stress or cytotoxic chemotherapy enhances transition to the HER2− phenotype. Simultaneous treatment with paclitaxel and Notch inhibitors achieves sustained suppression of tumorigenesis in orthotopic circulating tumour cell-derived tumour models. Together, these results point to distinct yet interconverting phenotypes within patient-derived circulating tumour cells, contributing to progression of breast cancer and acquisition of drug resistance.