Abstract Metastasis to distant tissues is the chief driver of breast cancer–related mortality, but little is known about the systemic physiologic dynamics that regulate this process. To investigate the role of neuroendocrine activation in cancer progression, we used in vivo bioluminescence imaging to track the development of metastasis in an orthotopic mouse model of breast cancer. Stress-induced neuroendocrine activation had a negligible effect on growth of the primary tumor but induced a 30-fold increase in metastasis to distant tissues including the lymph nodes and lung. These effects were mediated by β-adrenergic signaling, which increased the infiltration of CD11b+F4/80+ macrophages into primary tumor parenchyma and thereby induced a prometastatic gene expression signature accompanied by indications of M2 macrophage differentiation. Pharmacologic activation of β-adrenergic signaling induced similar effects, and treatment of stressed animals with the β-antagonist propranolol reversed the stress-induced macrophage infiltration and inhibited tumor spread to distant tissues. The effects of stress on distant metastasis were also inhibited by in vivo macrophage suppression using the CSF-1 receptor kinase inhibitor GW2580. These findings identify activation of the sympathetic nervous system as a novel neural regulator of breast cancer metastasis and suggest new strategies for antimetastatic therapies that target the β-adrenergic induction of prometastatic gene expression in primary breast cancers. Cancer Res; 70(18); 7042–52. ©2010 AACR.

Abstract Radiotherapy is used to treat many types of cancer, but many treated patients relapse with local tumor recurrence. Tumor-infiltrating myeloid cells (TIM), including CD11b (ITGAM)+F4/80 (EMR1)+ tumor-associated macrophages (TAM), and CD11b+Gr-1 (LY6G)+ myeloid-derived suppressor cells (MDSC), respond to cancer-related stresses and play critical roles in promoting tumor angiogenesis, tissue remodeling, and immunosuppression. In this report, we used a prostate cancer model to investigate the effects of irradiation on TAMs and MDSCs in tumor-bearing animals. Unexpectedly, when primary tumor sites were irradiated, we observed a systemic increase of MDSCs in spleen, lung, lymph nodes, and peripheral blood. Cytokine analysis showed that the macrophage colony-stimulating factor CSF1 increased by two-fold in irradiated tumors. Enhanced macrophage migration induced by conditioned media from irradiated tumor cells was completely blocked by a selective inhibitor of CSF1R. These findings were confirmed in patients with prostate cancer, where serum levels of CSF1 increased after radiotherapy. Mechanistic investigations revealed the recruitment of the DNA damage-induced kinase ABL1 into cell nuclei where it bound the CSF1 gene promoter and enhanced CSF1 gene transcription. When added to radiotherapy, a selective inhibitor of CSF1R suppressed tumor growth more effectively than irradiation alone. Our results highlight the importance of CSF1/CSF1R signaling in the recruitment of TIMs that can limit the efficacy of radiotherapy. Furthermore, they suggest that CSF1 inhibitors should be evaluated in clinical trials in combination with radiotherapy as a strategy to improve outcomes. Cancer Res; 73(9); 2782–94. ©2013 AACR.

Tumor-infiltrating myeloid cells (TIMs) support tumor growth by promoting angiogenesis and suppressing antitumor immune responses. CSF-1 receptor (CSF1R) signaling is important for the recruitment of CD11b(+)F4/80(+) tumor-associated macrophages (TAMs) and contributes to myeloid cell-mediated angiogenesis. However, the impact of the CSF1R signaling pathway on other TIM subsets, including CD11b(+)Gr-1(+) myeloid-derived suppressor cells (MDSCs), is unknown. Tumor-infiltrating MDSCs have also been shown to contribute to tumor angiogenesis and have recently been implicated in tumor resistance to antiangiogenic therapy, yet their precise involvement in these processes is not well understood. Here, we use the selective pharmacologic inhibitor of CSF1R signaling, GW2580, to demonstrate that CSF-1 regulates the tumor recruitment of CD11b(+)Gr-1(lo)Ly6C(hi) mononuclear MDSCs. Targeting these TIM subsets inhibits tumor angiogenesis associated with reduced expression of proangiogenic and immunosuppressive genes. Combination therapy using GW2580 with an anti-VEGFR-2 antibody synergistically suppresses tumor growth and severely impairs tumor angiogenesis along with reverting at least one TIM-mediated antiangiogenic compensatory mechanism involving MMP-9. These data highlight the importance of CSF1R signaling in the recruitment and function of distinct TIM subsets, including MDSCs, and validate the benefits of targeting CSF1R signaling in combination with antiangiogenic drugs for the treatment of solid cancers.

Purpose: Metastasis to the brain from breast cancer remains a significant clinical challenge, and may be targeted with CAR-based immunotherapy. CAR design optimization for solid tumors is crucial due to the absence of truly restricted antigen expression and potential safety concerns with "on-target off-tumor" activity. Here, we have optimized HER2-CAR T cells for the treatment of breast to brain metastases, and determined optimal second-generation CAR design and route of administration for xenograft mouse models of breast metastatic brain tumors, including multifocal and leptomeningeal disease.Experimental Design: HER2-CAR constructs containing either CD28 or 4-1BB intracellular costimulatory signaling domains were compared for functional activity in vitro by measuring cytokine production, T-cell proliferation, and tumor killing capacity. We also evaluated HER2-CAR T cells delivered by intravenous, local intratumoral, or regional intraventricular routes of administration using in vivo human xenograft models of breast cancer that have metastasized to the brain.Results: Here, we have shown that HER2-CARs containing the 4-1BB costimulatory domain confer improved tumor targeting with reduced T-cell exhaustion phenotype and enhanced proliferative capacity compared with HER2-CARs containing the CD28 costimulatory domain. Local intracranial delivery of HER2-CARs showed potent in vivo antitumor activity in orthotopic xenograft models. Importantly, we demonstrated robust antitumor efficacy following regional intraventricular delivery of HER2-CAR T cells for the treatment of multifocal brain metastases and leptomeningeal disease.Conclusions: Our study shows the importance of CAR design in defining an optimized CAR T cell, and highlights intraventricular delivery of HER2-CAR T cells for treating multifocal brain metastases. Clin Cancer Res; 24(1); 95-105. ©2017 AACR.

Abstract Purpose: The majority of tumor-specific antigens are intracellular and/or secreted and therefore inaccessible by conventional chimeric antigen receptor (CAR) T-cell therapy. Given that all intracellular/secreted proteins are processed into peptides and presented by class I MHC on the surface of tumor cells, we used alpha-fetoprotein (AFP), a specific liver cancer marker, as an example to determine whether peptide–MHC complexes can be targets for CAR T-cell therapy against solid tumors. Experimental Design: We generated a fully human chimeric antigen receptor, ET1402L1-CAR (AFP-CAR), with exquisite selectivity and specificity for the AFP158–166 peptide complexed with human leukocyte antigen (HLA)-A*02:01. Results: We report that T cells expressing AFP-CAR selectively degranulated, released cytokines, and lysed liver cancer cells that were HLA-A*02:01+/AFP+ while sparing cells from multiple tissue types that were negative for either expressed proteins. In vivo, intratumoral injection of AFP-CAR T cells significantly regressed both Hep G2 and AFP158-expressing SK-HEP-1 tumors in SCID-Beige mice (n = 8 for each). Moreover, intravenous administration of AFP-CAR T cells in Hep G2 tumor-bearing NSG mice lead to rapid and profound tumor growth inhibition (n = 6). Finally, in an established intraperitoneal liver cancer xenograft model, AFP-CAR T cells showed robust antitumor activity (n = 6). Conclusions: This study demonstrates that CAR T-cell immunotherapy targeting intracellular/secreted solid tumor antigens can elicit a potent antitumor response. Our approach expands the spectrum of antigens available for redirected T-cell therapy against solid malignancies and offers a promising new avenue for liver cancer immunotherapy. Clin Cancer Res; 23(2); 478–88. ©2016 AACR.

Growing evidence suggests that tumor-associated macrophages (TAM) promote cancer progression and therapeutic resistance by enhancing angiogenesis, matrix-remodeling, and immunosuppression. In this study, prostate cancer under androgen blockade therapy (ABT) was investigated, demonstrating that TAMs contribute to prostate cancer disease recurrence through paracrine signaling processes. ABT induced the tumor cells to express macrophage colony-stimulating factor 1 (M-CSF1 or CSF1) and other cytokines that recruit and modulate macrophages, causing a significant increase in TAM infiltration. Inhibitors of CSF1 signaling through its receptor, CSF1R, were tested in combination with ABT, demonstrating that blockade of TAM influx in this setting disrupts tumor promotion and sustains a more durable therapeutic response compared with ABT alone.

Despite recent therapeutic advances, metastatic castration-resistant prostate cancer (mCRPC) remains lethal. Chimeric antigen receptor (CAR) T cell therapies have demonstrated durable remissions in hematological malignancies. We report results from a phase 1, first-in-human study of prostate stem cell antigen (PSCA)-directed CAR T cells in men with mCRPC. The starting dose level (DL) was 100 million (M) CAR T cells without lymphodepletion (LD), followed by incorporation of LD. The primary end points were safety and dose-limiting toxicities (DLTs). No DLTs were observed at DL1, with a DLT of grade 3 cystitis encountered at DL2, resulting in addition of a new cohort using a reduced LD regimen + 100 M CAR T cells (DL3). No DLTs were observed in DL3. Cytokine release syndrome of grade 1 or 2 occurred in 5 of 14 treated patients. Prostate-specific antigen declines (>30%) occurred in 4 of 14 patients, as well as radiographic improvements. Dynamic changes indicating activation of peripheral blood endogenous and CAR T cell subsets, TCR repertoire diversity and changes in the tumor immune microenvironment were observed in a subset of patients. Limited persistence of CAR T cells was observed beyond 28 days post-infusion. These results support future clinical studies to optimize dosing and combination strategies to improve durable therapeutic outcomes. ClinicalTrials.gov identifier NCT03873805 .