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 Cell proliferation and invasion are two key drivers of tumor progression and are traditionally considered two independent cellular processes regulated by distinct pathways. Through in vitro and in silico methods, we provide evidence that these two processes are intrinsically coupled through matrix-adhesion friction. Using novel tumor spheroids, we show that both tumor cell proliferation and invasion are limited by a volumetric carrying capacity of the system, i.e. maximum spatial cell concentration supported by the system’s total cell count, nutrient consumption rate, and collagen gel mechanical properties. To manipulate these phenotypes in breast cancer cells, we modulate the expression of E-cadherin and its associated role in adhesion, invasion, and proliferation. We integrate these results into a mixed-constitutive formulation to computationally delineate the contributions of cellular and extracellular adhesion, stiffness, and mechanical properties of the extracellular matrix (ECM) to the proliferative and invasive fates of breast cancer tumor spheroids. Both approaches conclude that the dominant drivers of tumor fate are system properties modulating cell-ECM friction, such as E-cadherin dependent cell-ECM adhesion and matrix pore size.

Abstract Organoid cultures are widely used because they preserve many features of cancer cells in vivo . Here, we developed high-throughput oil-in-water droplet microtechnology to generate highly uniform, small-volume, multi-compartment organoids. Each organoid culture features a microenvironmental architecture that mimics both the basement membrane and stromal barriers. This matrix architecture, which allows accessing both proliferative and invasive features of cancer cells in a single platform, has profound effect on observed drug responsiveness and tumor progression that correlate well with in vivo and clinical outcomes. The method was tested on multiple types of cancer cells including primary cells and immortalized cell lines, and we determined our platform is suitable even for cells of poor organoid-forming ability. These new organoids also allow for direct orthotopic mouse implantation of cancer cells with unprecedented success.

Effectively utilizing MEK inhibitors in the clinic remains challenging due to off-target toxicity and lack of predictive biomarkers. Recent findings propose E-cadherin, a breast cancer diagnostic indicator, as a predictor of MEK inhibitor success. To address MEK inhibitor toxicity, traditional methodologies have systemically delivered nanoparticles, which require frequent, high-dose injections. Here, we present a different approach, employing a thermosensitive, biodegradable hydrogel with functionalized liposomes for local, sustained release of MEK inhibitor PD0325901 and doxorubicin. The poly(δ-valerolactone-

The loss of E-cadherin, an epithelial cell adhesion molecule, has been implicated in metastasis by mediating the epithelial-mesenchymal transition (EMT), which promotes invasion and migration of cancer cells. However, recent studies have demonstrated that E-cadherin supports the survival and proliferation of metastatic cancer cells. Here, we identified a metabolic role for E-cadherin in breast cancer by upregulating the de novo serine synthesis pathway (SSP). The upregulated SSP provided metabolic precursors for biosynthesis and resistance to oxidative stress, enabling E-cadherin+ breast cancer cells to achieve faster tumor growth and enhanced metastases. Inhibition of PHGDH, a rate-limiting enzyme in the SSP, significantly and specifically hampered proliferation of E-cadherin+ breast cancer cells and rendered them vulnerable to oxidative stress, inhibiting their metastatic potential. These findings reveal that E-cadherin reprograms cellular metabolism, promoting tumor growth and metastasis of breast cancers.

Tissue stiffness is a critical prognostic factor in breast cancer and is associated with metastatic progression. Here we show an alternative and complementary hypothesis of tumor progression whereby physiological matrix stiffness affects the quantity and protein cargo of small EVs produced by cancer cells, which in turn drive their metastasis. Primary patient breast tissue produces significantly more EVs from stiff tumor tissue than soft tumor adjacent tissue. EVs released by cancer cells on matrices that model human breast tumors (25 kPa; stiff EVs) feature increased adhesion molecule presentation (ITGα 2 β 1 , ITGα 6 β 4 , ITGα 6 β 1 , CD44) compared to EVs from softer normal tissue (0.5 kPa; soft EVs), which facilitates their binding to extracellular matrix (ECM) protein collagen IV, and a 3-fold increase in homing ability to distant organs in mice. In a zebrafish xenograft model, stiff EVs aid cancer cell dissemination through enhanced chemotaxis. Moreover, normal, resident lung fibroblasts treated with stiff and soft EVs change their gene expression profiles to adopt a cancer associated fibroblast (CAF) phenotype. These findings show that EV quantity, cargo, and function depend heavily on the mechanical properties of the extracellular microenvironment.

Abstract The fallopian tube has an essential role in several physiological and pathological processes from pregnancy to ovarian cancer. However, there are no biologically relevant models to study its pathophysiology. The state-of-the-art organoid model has been compared to two-dimensional tissue sections and molecularly assessed providing only cursory analyses of the model’s accuracy. We developed a novel multi-compartment organoid model of the human fallopian tube that was meticulously tuned to reflect the compartmentalization and heterogeneity of the tissue’s composition. We validated this organoid’s molecular expression patterns, cilia-driven transport function, and structural accuracy through a highly iterative platform wherein organoids are compared to a three-dimensional, single-cell resolution reference map of a healthy, transplantation-quality human fallopian tube. This organoid model was precision-engineered to match the human microanatomy. One sentence summary Tunable organoid modeling and CODA architectural quantification in tandem help design a tissue-validated organoid model.

The loss of E-cadherin (E-cad), an epithelial cell adhesion molecule, has been implicated in the epithelial-mesenchymal transition (EMT), promoting invasion and migration of cancer cells and, consequently, metastasis. However, recent studies have demonstrated that E-cad supports the survival and proliferation of metastatic cancer cells, suggesting that our understanding of E-cad in metastasis is far from comprehensive. Here, we report that E-cad upregulates the de novo serine synthesis pathway (SSP) in breast cancer cells. The SSP provides metabolic precursors for biosynthesis and resistance to oxidative stress, critically beneficial for E-cad-positive breast cancer cells to achieve faster tumor growth and more metastases. Inhibition of PHGDH, a rate- limiting enzyme in the SSP, significantly and specifically hampered the proliferation of E-cad- positive breast cancer cells and rendered them vulnerable to oxidative stress, inhibiting their metastatic potential. Our findings reveal that E-cad adhesion molecule significantly reprograms cellular metabolism, promoting tumor growth and metastasis of breast cancers.