Abstract Resected tumors frequently relapse with distant metastasis, despite systemic treatment. Cellular quiescence has been identified as an important mechanism underlying such drug resistance enabling late relapse. Nonetheless, hurdles associated with detection and isolation of disseminated cancer cells (DCCs) in disease-free patients urge the need for in vitro models of quiescent cells suited for drug screening campaigns. Here, we explore a quiescence-inducing 3D-engineered matrix based on ultraviolet light-initiated thiol-ene-crosslinked alginate hydrogels, which generate mechanical confinement and induce growth arrest and survival against chemotherapy in cancer cells. As underlying mechanism, we identified stiffness-dependent nuclear localization of the four-and-a-half LIM domains 2 (FHL2) protein, leading to p53-independent high p21 Cip1/Waf1 nuclear expression, validated in murine and human tissue. Suggestive of a resistance-causing role, cells in the quiescence-inducing matrix became sensitive against chemotherapy upon FHL2 downregulation. Thus, our biomaterial-based approach will enable systematic screens for novel compounds suited to eradicate potentially relapsing, dormant cancer cells.

Abstract Although thousands of breast cancer cells disseminate and home to bone marrow until primary surgery, usually less than a handful will succeed in establishing manifest metastases months to years later. To identify signals that support survival or outgrowth in patients, we profiled rare bone marrow-derived disseminated cancer cells (DCCs) long before manifestation of metastasis and identified IL6/PI3K-signaling as candidate pathway for DCC activation. Surprisingly, and similar to mammary epithelial cells, DCCs lacked membranous IL6 receptor expression and mechanistic dissection revealed IL6 trans-signaling to regulate a stem-like state of mammary epithelial cells via gp130. Responsiveness to IL6 trans-signals was found to be niche-dependent as bone marrow stromal and endosteal cells down-regulated gp130 in premalignant mammary epithelial cells as opposed to vascular niche cells. PIK3CA activation rendered cells independent from IL6 trans-signaling. Consistent with a bottleneck function of microenvironmental DCC control, we found PIK3CA mutations highly associated with late-stage metastatic cells while being extremely rare in early DCCs. Our data suggest that the initial steps of metastasis formation are often not cancer cell-autonomous, but also depend on microenvironmental signals.