Cancer-associated fibroblasts (CAFs) are a major cellular component of tumor microenvironment in most solid cancers. Altered cellular metabolism is a hallmark of cancer, and much of the published literature has focused on neoplastic cell-autonomous processes for these adaptations. We demonstrate that exosomes secreted by patient-derived CAFs can strikingly reprogram the metabolic machinery following their uptake by cancer cells. We find that CAF-derived exosomes (CDEs) inhibit mitochondrial oxidative phosphorylation, thereby increasing glycolysis and glutamine-dependent reductive carboxylation in cancer cells. Through 13C-labeled isotope labeling experiments we elucidate that exosomes supply amino acids to nutrient-deprived cancer cells in a mechanism similar to macropinocytosis, albeit without the previously described dependence on oncogenic-Kras signaling. Using intra-exosomal metabolomics, we provide compelling evidence that CDEs contain intact metabolites, including amino acids, lipids, and TCA-cycle intermediates that are avidly utilized by cancer cells for central carbon metabolism and promoting tumor growth under nutrient deprivation or nutrient stressed conditions.

Accumulating evidence indicates that patient-derived organoids (PDOs) can predict drug responses in the clinic, but the ability of PDOs to predict responses to chemoradiation in cancer patients remains an open question. Here we generate a living organoid biobank from patients with locally advanced rectal cancer (LARC) treated with neoadjuvant chemoradiation (NACR) enrolled in a phase III clinical trial. Our co-clinical trial data confirm that rectal cancer organoids (RCOs) closely recapitulate the pathophysiology and genetic changes of corresponding tumors. Chemoradiation responses in patients are highly matched to RCO responses, with 84.43% accuracy, 78.01% sensitivity, and 91.97% specificity. These data imply that PDOs predict LARC patient responses in the clinic and may represent a companion diagnostic tool in rectal cancer treatment.

Summary

 Reactive stromal cells are an integral part of tumor microenvironment (TME) and interact with cancer cells to regulate their growth. Although targeting stromal cells could be a viable therapy to regulate the communication between TME and cancer cells, identification of stromal targets that make cancer cells vulnerable has remained challenging and elusive. Here, we identify a previously unrecognized mechanism whereby metabolism of reactive stromal cells is reprogrammed through an upregulated glutamine anabolic pathway. This dysfunctional stromal metabolism confers atypical metabolic flexibility and adaptive mechanisms in stromal cells, allowing them to harness carbon and nitrogen from noncanonical sources to synthesize glutamine in nutrient-deprived conditions existing in TME. Using an orthotopic mouse model for ovarian carcinoma, we find that co-targeting glutamine synthetase in stroma and glutaminase in cancer cells reduces tumor weight, nodules, and metastasis. We present a synthetic lethal approach to target tumor stroma and cancer cells simultaneously for desirable therapeutic outcomes.

miR-21 has been recognized as an "onco-microRNA" with the activity of negatively modulating the expression of tumor-suppressor genes. However, its role in prostate cancer (CaP) has not been well-documented. We designed this study to assess the potential function of serum miR-21 in the progression of CaP.Serum samples of 56 patients, including 20 patients with localized CaP, 20 with androgen-dependent prostate cancer (ADPC), 10 with hormone-refractory prostate cancer (HRPC), and 6 with benign prostatic hyperplasia (BPH), were collected for the measurement of miR-21. The 10 HRPC patients were administered docetaxel-based chemotherapy. Quantification of miR-21 was assayed by specific TaqMan qRT-PCR.Serum miR-21 level was found to correlate to serum PSA level in patients with ADPC and HRPC, P = 0.012 and 0.049, respectively. There was no significant difference in serum miR-21 level between BPH, localized CaP and ADPC with PSA level <4 ng/ml. Higher levels of miR-21 were detected in patients with HRPC and ADPC with PSA level >4 ng/ml. Six of the 10 HRPC patients reached partial remission with a decreased PSA level of >50% after chemotherapy. Serum miR-21 levels were higher in patients who were resistant to docetaxel-based chemotherapy when compared to those sensitive to chemotherapy, P = 0.032.Serum miR-21 levels are elevated in HRPC patients, especially in those resistant to docetaxel-based chemotherapy. It may be applicable as a marker to indicate the transformation to hormone refractory disease, and a potential predictor for the efficacy of docetaxel-based chemotherapy.

Abstract Glutamine can play a critical role in cellular growth in multiple cancers. Glutamine‐addicted cancer cells are dependent on glutamine for viability, and their metabolism is reprogrammed for glutamine utilization through the tricarboxylic acid ( TCA ) cycle. Here, we have uncovered a missing link between cancer invasiveness and glutamine dependence. Using isotope tracer and bioenergetic analysis, we found that low‐invasive ovarian cancer ( OVCA ) cells are glutamine independent, whereas high‐invasive OVCA cells are markedly glutamine dependent. Consistent with our findings, OVCA patients’ microarray data suggest that glutaminolysis correlates with poor survival. Notably, the ratio of gene expression associated with glutamine anabolism versus catabolism has emerged as a novel biomarker for patient prognosis. Significantly, we found that glutamine regulates the activation of STAT 3, a mediator of signaling pathways which regulates cancer hallmarks in invasive OVCA cells. Our findings suggest that a combined approach of targeting high‐invasive OVCA cells by blocking glutamine's entry into the TCA cycle, along with targeting low‐invasive OVCA cells by inhibiting glutamine synthesis and STAT 3 may lead to potential therapeutic approaches for treating OVCA s.

The genome of pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) frequently contains deletions of tumour suppressor gene loci, most notably SMAD4, which is homozygously deleted in nearly one-third of cases. As loss of neighbouring housekeeping genes can confer collateral lethality, we sought to determine whether loss of the metabolic gene malic enzyme 2 (ME2) in the SMAD4 locus would create cancer-specific metabolic vulnerability upon targeting of its paralogous isoform ME3. The mitochondrial malic enzymes (ME2 and ME3) are oxidative decarboxylases that catalyse the conversion of malate to pyruvate and are essential for NADPH regeneration and reactive oxygen species homeostasis. Here we show that ME3 depletion selectively kills ME2-null PDAC cells in a manner consistent with an essential function for ME3 in ME2-null cancer cells. Mechanistically, integrated metabolomic and molecular investigation of cells deficient in mitochondrial malic enzymes revealed diminished NADPH production and consequent high levels of reactive oxygen species. These changes activate AMP activated protein kinase (AMPK), which in turn directly suppresses sterol regulatory element-binding protein 1 (SREBP1)-directed transcription of its direct targets including the BCAT2 branched-chain amino acid transaminase 2) gene. BCAT2 catalyses the transfer of the amino group from branched-chain amino acids to α-ketoglutarate (α-KG) thereby regenerating glutamate, which functions in part to support de novo nucleotide synthesis. Thus, mitochondrial malic enzyme deficiency, which results in impaired NADPH production, provides a prime 'collateral lethality' therapeutic strategy for the treatment of a substantial fraction of patients diagnosed with this intractable disease.

Summary The tricarboxylic acid (TCA) cycle oxidizes carbon substrates to carbon dioxide, with the resulting high energy electrons fed into the electron transport chain to produce ATP by oxidative phosphorylation. Healthy tissues derive most of their ATP from oxidative metabolism, and the remainder from glycolysis. The corresponding balance in tumors remains unclear. Tumors upregulate aerobic glycolysis (the Warburg effect), yet they also typically require an intact TCA cycle and electron transport chain 1–6 . Recent studies have measured which nutrients contribute carbon to the tumor TCA metabolites 7,8 , but not tumor TCA flux: how fast the cycle turns. Here, we develop and validate an in vivo dynamic isotope tracing-mass spectrometry strategy for TCA flux quantitation, which we apply to all major mouse organs and to five tumor models. We show that, compared to the tissue of origin, tumor TCA flux is markedly suppressed. Complementary glycolytic flux measurements confirm tumor glycolysis acceleration, but the majority of tumor ATP is nevertheless made aerobically, and total tumor ATP production is suppressed compared to healthy tissues. In murine pancreatic cancer, this is accommodated by downregulation of the major energy-using pathway in the healthy exocrine pancreas, protein synthesis. Thus, instead of being hypermetabolic as commonly assumed, tumors apparently make ATP at a lower than normal rate. We propose that, as cells de-differentiate into cancer, they eschew ATP-intensive processes characteristic of the host tissue, and that the resulting suppressed ATP demand contributes to the Warburg effect and facilitates cancer growth in the nutrient-poor tumor microenvironment.

Hyperspectral imaging technology refers to the ability to acquire a full optical spectrum at each pixel in an image. In the field of target detection, although hyperspectral imagers can detect point target formed by one or several pixels with high spectral resolution, it is difficult to realize the real-time recognition of the point target without the prior spectral information of the target or high spatial resolution geometric information of the target. And it is also difficult for airborne hyperspectral imager to improve spectral resolution and spatial resolution simultaneously. In this paper, we propose airborne imaging system scheme consisting of a compact push-broom hyperspectral imager and a high-resolution area-array panchromatic camera, and introduce the main methods of system design, performance evaluation and data processing. The results of airborne flight experiment show that the hyperspectral imager and area-array camera have ground sample distance (GSD) of 0.15 m and 0.036 m respectively at a flight height of 1500 m, and can achieve approximately 170 spectral channels at a range of 0.4–2.45 μm and a total field of view (TFOV) of 12°. The airborne imaging system can provide both spatial and spectral information of the target with higher accuracy, which can meet the needs of real-time target spectral detection and recognition, and have important reference value of airborne hyperspectral imaging technology in the application field of target detection.

Abstract Mammalian cells require activated folates to generate nucleotides for growth and division. The most abundant circulating folate species is 5-methyl tetrahydrofolate (5-methyl-THF), which is used to synthesize methionine from homocysteine via the cobalamin-dependent enzyme methionine synthase (MTR). Cobalamin deficiency traps folates as 5-methyl-THF. Here, we show using isotope tracing that methionine synthase is only a minor source of methionine in cell culture, tissues, or xenografted tumors. Instead, methionine synthase is required for cells to avoid folate trapping and assimilate 5-methyl-THF into other folate species. Under conditions of physiological extracellular folates, genetic MTR knockout in tumor cells leads to folate trapping, purine synthesis stalling, nucleotide depletion, and impaired growth in cell culture and as xenografts. These defects are rescued by free folate but not one-carbon unit supplementation. Thus, MTR plays a crucial role in liberating tetrahydrofolate for use in one-carbon metabolism.

To develop a radiogenomics nomogram for predicting axillary lymph node (ALN) metastasis in breast cancer and reveal underlying associations between radiomics features and biological pathways.