Uveal melanoma (UM) is the most common non-cutaneous melanoma and is an intraocular malignancy that affects nearly 7,000 individuals per year worldwide. Of these, nearly 50% will progress to metastatic disease for which there are currently no effective therapies. Despite advances in the molecular profiling and metastatic stratification of class 1 and 2 UM tumors, little is known regarding the underlying biology of UM metastasis. Our group has identified a disseminated tumor cell population characterized by co-expression of immune and melanoma proteins, (circulating hybrid cells (CHCs), in patients with UM. Compared to circulating tumor cells, CHCs are detected at an increased prevalence in peripheral blood and can be used as a non-invasive biomarker to predict metastatic progression. To identify mechanisms underlying enhanced hybrid cell dissemination we sought to identify hybrid cells within a primary UM single cell RNA-seq dataset. Using rigorous doublet discrimination approaches, we identified UM hybrids and evaluated their gene expression, predicted ligand-receptor status, and cell-cell communication state in relation to other melanoma and immune cells within the primary tumor. We identified several genes and pathways upregulated in hybrid cells, including those involved in enhancing cell motility and cytoskeleton rearrangement, evading immune detection, and altering cellular metabolism. In addition, we identified that hybrid cells express ligand-receptor signaling pathways implicated in promoting cancer metastasis including IGF1-IGFR1, GAS6-AXL, LGALS9-P4HB, APP-CD74 and CXCL12-CXCR4. These results contribute to our understanding of tumor progression and interactions between tumor cells and immune cells in the UM microenvironment that may promote metastasis.

Abstract Metastatic progression defines the final stages of tumor evolution and underlies the majority of cancer-related deaths. The heterogeneity in disseminated tumor cell populations capable of seeding and growing in distant organ sites contributes to the development of treatment resistant disease. We recently reported the identification of a novel tumor-derived cell population, circulating hybrid cells (CHCs), harboring attributes from both macrophages and neoplastic cells, including functional characteristics important to metastatic spread. These disseminated hybrids outnumber conventionally defined circulating tumor cells (CTCs) in cancer patients. It is unknown if CHCs represent a generalized cancer mechanism for cell dissemination, or if this population is relevant to the metastatic cascade. Herein, we detect CHCs in the peripheral blood of patients with cancer in myriad disease sites encompassing epithelial and non-epithelial malignancies. Further, we demonstrate that in vivo-derived hybrid cells harbor tumor-initiating capacity in murine cancer models and that CHCs from human breast cancer patients express stem cell antigens, features consistent with the ability to seed and grow at metastatic sites. Finally, we reveal heterogeneity of CHC phenotypes reflect key tumor features, including oncogenic mutations and functional protein expression. Importantly, this novel population of disseminated neoplastic cells opens a new area in cancer biology and renewed opportunity for battling metastatic disease. Simple Summary There is an incomplete understanding of circulating neoplastic cell populations and the fundamental mechanisms that drive dissemination, immune evasion, and growth —all critical information to more effectively prevent and treat cancer progression. A novel disseminated tumor cell population, circulating hybrid cells, are detected across many cancer types and carry functional tumor-initiating properties. Additionally, circulating hybrid cells are found at significantly higher levels than conventionally defined circulating tumor cells. Our study demonstrates that neoplastic hybrid cells harbor phenotypic and genetic characteristics of tumor and immune cells, display stem features, and are a generalizable phenomenon in solid tumors. Circulating hybrid cells therefore have relevance as a novel biomarker and open a new field of study in malignancy.

Abstract Background Uveal melanoma is the most common non-cutaneous melanoma and is an intraocular malignancy affecting nearly 7,000 individuals per year worldwide. Of these, approximately 50% will progress to metastatic disease for which there are currently no effective curative therapies. Despite advances in molecular profiling and metastatic stratification of uveal melanoma tumors, little is known regarding their underlying biology of metastasis. Our group has identified a disseminated neoplastic cell population characterized by co-expression of immune and melanoma proteins, circulating hybrid cells (hybrids), in patients with uveal melanoma. Compared to circulating tumor cells, which lack expression of immune proteins, hybrids are detected at an increased prevalence in peripheral blood and can be used as a non-invasive biomarker to predict metastatic progression. Methods To ascertain mechanisms underlying enhanced hybrid cell dissemination we identified hybrid cells within primary uveal melanoma tumors using single cell RNA sequencing ( n = 8) and evaluated their gene expression and predicted ligand-receptor interactions in relation to other melanoma and immune cells within the primary tumor. We then verified expression of upregulated hybrid pathways within patient-matched tumor and peripheral blood hybrids ( n = 4) using cyclic immunofluorescence and quantified their protein expression relative to other non-hybrid tumor and disseminated tumor cells. Results Among the top upregulated genes and pathways in hybrid cells were those involved in enhanced cell motility and cytoskeletal rearrangement, immune evasion, and altered cellular metabolism. In patient-matched tumor and peripheral blood, we verified gene expression by examining concordant protein expression for each pathway category: TMSB10 (cell motility), CD74 (immune evasion) and GPX1 (metabolism). Both TMSB10 and GPX1 were expressed on significantly higher numbers of disseminated hybrid cells compared to circulating tumor cells, and CD74 and GPX1 were expressed on more disseminated hybrids than tumor-resident hybrids. Lastly, we identified that hybrid cells express ligand-receptor signaling pathways implicated in promoting metastasis including GAS6-AXL, CXCL12-CXCR4, LGALS9-P4HB and IGF1-IGFR1. Conclusion These findings highlight the importance of TMSB10, GPX1 and CD74 for successful hybrid cell dissemination and survival in circulation. Our results contribute to the understanding of uveal melanoma tumor progression and interactions between tumor cells and immune cells in the tumor microenvironment that may promote metastasis.

PURPOSE Validated and accurate prognostic testing is critical for precision medicine in uveal melanoma (UM). Our aims were to (1) prospectively validate an integrated prognostic classifier combining a 15-gene expression profile (15-GEP) and PRAME RNA expression and (2) identify clinical variables that enhance the prognostic accuracy of the 15-GEP/ PRAME classifier. MATERIALS AND METHODS This study included 1,577 patients with UM of the choroid and/or ciliary body who were enrolled in the Collaborative Ocular Oncology Group Study Number 2 (COOG2) and prospectively monitored across 26 North American centers. Test results for 15-GEP (class 1 or class 2) and PRAME expression status (negative or positive) were available for all patients. The primary end point was metastasis-free survival (MFS). RESULTS 15-GEP was class 1 in 1,082 (68.6%) and class 2 in 495 (31.4%) patients. PRAME status was negative in 1,106 (70.1%) and positive in 471 (29.9%) patients. Five-year MFS was 95.6% (95% CI, 93.9 to 97.4) for class 1/ PRAME(–), 80.6% (95% CI, 73.9 to 87.9) for class 1/ PRAME(+), 58.3% (95% CI, 51.1 to 66.4) for class 2/ PRAME(–), and 44.8% (95% CI, 37.9 to 52.8) for class 2/ PRAME(+). By multivariable Cox proportional hazards analysis, 15-GEP was the most important independent predictor of MFS (hazard ratio [HR], 5.95 [95% CI, 4.43 to 7.99]; P < .001), followed by PRAME status (HR, 1.82 [95% CI, 1.42 to 2.33]; P < .001). The only clinical variable demonstrating additional prognostic value was tumor diameter. CONCLUSION In the largest prospective multicenter prognostic biomarker study performed to date in UM to our knowledge, the COOG2 study validated the superior prognostic accuracy of the integrated 15-GEP/ PRAME classifier over 15-GEP alone and clinical prognostic variables. Tumor diameter was found to be the only clinical variable to provide additional prognostic information. This prognostic classifier provides an advanced resource for risk-adjusted metastatic surveillance and adjuvant trial stratification in patients with UM.