Abstract Patients with densely innervated tumors suffer with increased metastasis and decreased survival as compared to those with less innervated tumors. We hypothesize that in some tumors, nerves are acquired by a tumor-induced process, called axonogenesis. Here, we use PC12 cells as an in vitro neuronal model, human tumor samples and murine in vivo models to test this hypothesis. When appropriately stimulated, PC12 cells extend processes, called neurites. We show that patient tumors release vesicles, called exosomes, which induce PC12 neurite outgrowth. Using a cancer mouse model, we show that tumors compromised in exosome release are less innervated than controls. Moreover, in vivo pharmacological blockade of exosome release similarly attenuates tumor innervation. We characterize these nerves as sensory in nature and demonstrate that axonogenesis is potentiated by the exosome-packaged axonal guidance molecule, EphrinB1. These findings indicate that tumor released exosomes induce tumor innervation and exosomes containing EphrinB1 potentiate this activity.

ABSTRACT Patients with densely innervated tumors do poorly as compared to those with sparsely innervated disease. Why some tumors heavily recruit nerves while others do not, remains unknown as does the functional contribution of tumor-infiltrating nerves to cancer. Moreover, while patients receive chemotherapeutic treatment, whether these drugs affect nerve recruitment has not been tested. Using a murine model of ovarian cancer, we show that tumor-infiltrating sensory nerves potentiate tumor growth, decrease survival, and contribute to treatment resistance. Furthermore, matched patient samples show significantly increased tumor innervation following chemotherapy. In vitro analysis of tumor-released extracellular vesicles (sEVs) shows they harbor neurite outgrowth activity. These data suggest that chemotherapy may alter sEV cargo, endowing it with robust nerve recruiting capacity.

Summary Severe pain is often experienced by patients with head and neck cancer and is associated with a poor prognosis. Despite its frequency and severity, current treatments fail to adequately control cancer-associated pain, because of our lack of mechanistic understanding. Cancer-derived small extracellular vesicles (Cancer-sEVs) are well- positioned to function as mediators of communication between cancer cells and neurons. Inhibition of Cancer-sEV release attenuated pain in tumor-bearing mice. Injection of purified Cancer-sEVs is sufficient to induce pain hypersensitivity in naïve mice. Cancer-sEVs triggered calcium influx in nociceptors and inhibition or ablation of nociceptors protect against cancer pain. Interrogation of published sequencing data of human sensory neurons exposed to human Cancer-sEVs suggested a stimulation of protein translation in neurons. Induction of translation by Cancer-sEVs was validated in our mouse model and its inhibition alleviated cancer pain in mice. These findings define a role of Cancer-sEVs in cancer pain and identify several druggable targets. Graphical abstract

Cancer patients often experience changes in mental health, prompting an exploration into whether nerves infiltrating tumors contribute to these alterations by impacting brain functions. Using a mouse model for head and neck cancer and neuronal tracing, we show that tumor-infiltrating nerves connect to distinct brain areas. The activation of this neuronal circuitry altered behaviors (decreased nest-building, increased latency to eat a cookie, and reduced wheel running). Tumor-infiltrating nociceptor neurons exhibited heightened calcium activity and brain regions receiving these neural projections showed elevated Fos as well as increased calcium responses compared to non-tumor-bearing counterparts. The genetic elimination of nociceptor neurons decreased brain Fos expression and mitigated the behavioral alterations induced by the presence of the tumor. While analgesic treatment restored nesting and cookie test behaviors, it did not fully restore voluntary wheel running indicating that pain is not the exclusive driver of such behavioral shifts. Unraveling the interaction between the tumor, infiltrating nerves, and the brain is pivotal to developing targeted interventions to alleviate the mental health burdens associated with cancer.

Nociceptor neurons impact tumor immunity. Removing nociceptor neurons reduced myeloid-derived suppressor cell (MDSCs) tumor infiltration in mouse models of head and neck carcinoma and melanoma. Carcinoma-released small extracellular vesicles (sEVs) attract nociceptive nerves to tumors. sEV-deficient tumors fail to develop in mice lacking nociceptor neurons. Exposure of dorsal root ganglia (DRG) neurons to cancer sEVs elevated expression of Substance P, IL-6 and injury-related neuronal markers while treatment with cancer sEVs and cytotoxic CD8 T-cells induced an immunosuppressive state (increased exhaustion ligands and cytokines). Cancer patient sEVs enhanced DRG responses to capsaicin, indicating increased nociceptor sensitivity. Conditioned media from DRG and cancer cell co-cultures promoted expression of MDSC markers in primary bone marrow cells while DRG conditioned media together with cancer sEVs induced checkpoint expression on T-cells. Our findings indicate that nociceptor neurons facilitate CD8+ T cell exhaustion and enhance MDSC infiltration. Targeting nociceptor-released IL-6 emerges as a novel strategy to disrupt harmful neuro-immune interactions in cancer and enhance anti-tumor immunity.

Cancer patients often experience changes in mental health, prompting an exploration into whether nerves infiltrating tumors contribute to these alterations by impacting brain functions. Using a male mouse model for head and neck cancer, we utilized neuronal tracing techniques and show that tumor-infiltrating nerves indeed connect to distinct brain areas via the ipsilateral trigeminal ganglion. The activation of this neuronal circuitry led to behavioral alterations represented by decreased nest-building, increased latency to eat a cookie, and reduced wheel running. Tumor-infiltrating nociceptor neurons exhibited heightened activity, as indicated by increased calcium mobilization. Correspondingly, the specific brain regions receiving these neural projections showed elevated cFos and delta FosB expression in tumor-bearing mice, alongside markedly intensified calcium responses compared to non-tumor-bearing counterparts. The genetic elimination of nociceptor neurons in tumor-bearing mice led to decreased brain Fos expression and mitigated the behavioral alterations induced by the presence of the tumor. While antalgic treatment successfully restored behaviors involving oral movements to normalcy in tumor-bearing mice, it did not have a similar therapeutic effect on voluntary wheel running. This discrepancy points towards an intricate relationship, where pain is not the exclusive driver of such behavioral shifts. Unraveling the interaction between the tumor, infiltrating nerves, and the brain is pivotal to developing targeted interventions to alleviate the mental health burdens associated with cancer.

Patients with densely innervated tumors do worse than those with less innervated cancers. We hypothesize that neural elements are acquired by a tumor-induced process, called neo-neurogenesis. Here, we use PC12 cells in a simple system to test this hypothesis. PC12 cells extend processes, called neurites, only when appropriately stimulated. Using this system, we show that patient tumors release vesicles (exosomes) which induce PC12 neurite outgrowth. Using a cancer mouse model, we show that tumor cells compromised in exosome release grow slower and are less innervated than controls indicating a contribution of innervation to disease progression. We find that neo-neurogenesis is mediated in part by the axonal guidance molecule, EphrinB1, contained in exosomes. These findings support testing EphrinB1 blockers to inhibit tumor innervation and improve survival.