Abstract

 We evaluated the safety and efficacy of high-dose, posttransplantation cyclophosphamide (Cy) to prevent graft rejection and graft-versus-host disease (GVHD) after outpatient nonmyeloablative conditioning and T cell-replete bone marrow transplantation from partially HLA-mismatched (haploidentical) related donors. Patients with advanced hematologic malignancies (n = 67) or paroxysmal nocturnal hemoglobinuria (n = 1) received Cy 50 mg/kg i.v. on day 3 (n = 28) or on days 3 and 4 (n = 40) after transplantation. The median times to neutrophil (>500/μL) and platelet recovery (>20,000/μL) were 15 and 24 days, respectively. Graft failure occurred in 9 of 66 (13%) evaluable patients, and was fatal in 1. The cumulative incidences of grades II-IV and grades III-IV acute (aGVHD) by day 200 were 34% and 6%, respectively. There was a trend toward a lower risk of extensive chronic GVHD (cGVHD) among recipients of 2 versus 1 dose of posttransplantation Cy (P = .05), the only difference between these groups. The cumulative incidences of nonrelapse mortality (NRM) and relapse at 1 year were 15% and 51%, respectively. Actuarial overall survival (OS) and event-free survival (EFS) at 2 years after transplantation were 36% and 26%, respectively. Patients with lymphoid malignancies had an improved EFS compared to those with myelogenous malignancies (P = .02). Nonmyeloablative HLA-haploidentical BMT with posttransplantation Cy is associated with acceptable rates of fatal graft failure and severe aGVHD or cGVHD.

The identity of the cells responsible for the initiation and maintenance of multiple myeloma (MM) remains unclear largely because of the difficulty growing MM cells in vitro and in vivo. MM cell lines and clinical specimens are characterized by malignant plasma cells that express the cell surface antigen syndecan-1 (CD138); however, CD138 expression is limited to terminally differentiated plasma cells during B-cell development. Moreover, circulating B cells that are clonally related to MM plasma cells have been reported in some patients with MM. We found that human MM cell lines contained small (< 5%) subpopulations that lacked CD138 expression and had greater clonogenic potential in vitro than corresponding CD138+ plasma cells. CD138- cells from clinical MM samples were similarly clonogenic both in vitro and in nonobese diabetic/severe combined immunodeficiency (NOD/SCID) mice, whereas CD138+ cells were not. Furthermore, CD138- cells from both cell lines and clinical samples phenotypically resembled postgerminal center B cells, and their clonogenic growth was inhibited by the anti-CD20 monoclonal antibody rituximab. These data suggest that MM "stem cells" are CD138- B cells with the ability to replicate and subsequently differentiate into malignant CD138+ plasma cells.

In the context of pancreatic cancer, metastasis remains the most critical determinant of resectability, and hence survival. The objective of this study was to determine whether Hedgehog (Hh) signaling plays a role in pancreatic cancer invasion and metastasis because this is likely to have profound clinical implications. In pancreatic cancer cell lines, Hh inhibition with cyclopamine resulted in down-regulation of snail and up-regulation of E-cadherin, consistent with inhibition of epithelial-to-mesenchymal transition, and was mirrored by a striking reduction of in vitro invasive capacity (P < 0.0001). Conversely, Gli1 overexpression in immortalized human pancreatic ductal epithelial cells led to a markedly invasive phenotype (P < 0.0001) and near total down-regulation of E-cadherin. In an orthotopic xenograft model, cyclopamine profoundly inhibited metastatic spread; only one of seven cyclopamine-treated mice developed pulmonary micrometastases versus seven of seven mice with multiple macrometastases in control animals. Combination of gemcitabine and cyclopamine completely abrogated metastases while also significantly reducing the size of "primary" tumors. Gli1 levels were up-regulated in tissue samples of metastatic human pancreatic cancer samples compared with matched primary tumors. Aldehyde dehydrogenase (ALDH) overexpression is characteristic for both hematopoietic progenitors and leukemic stem cells; cyclopamine preferentially reduced "ALDH-high" cells by approximately 3-fold (P = 0.048). We confirm pharmacologic Hh pathway inhibition as a valid therapeutic strategy for pancreatic cancer and show for the first time its particular efficacy against metastatic spread. By targeting specific cellular subpopulations likely involved in tumor initiation at metastatic sites, Hh inhibitors may provide a new paradigm for therapy of disseminated malignancies, particularly when used in combination with conventional antimetabolites that reduce "bulk" tumor size.

The Notch signaling pathway is required in both nonneoplastic neural stem cells and embryonal brain tumors, such as medulloblastoma, which are derived from such cells. We investigated the effects of Notch pathway inhibition on medulloblastoma growth using pharmacologic inhibitors of gamma-secretase. Notch blockade suppressed expression of the pathway target Hes1 and caused cell cycle exit, apoptosis, and differentiation in medulloblastoma cell lines. Interestingly, viable populations of better-differentiated cells continued to grow when Notch activation was inhibited but were unable to efficiently form soft-agar colonies or tumor xenografts, suggesting that a cell fraction required for tumor propagation had been depleted. It has recently been hypothesized that a small population of stem-like cells within brain tumors is required for the long-term propagation of neoplastic growth and that CD133 expression and Hoechst dye exclusion (side population) can be used to prospectively identify such tumor-forming cells. We found that Notch blockade reduced the CD133-positive cell fraction almost 5-fold and totally abolished the side population, suggesting that the loss of tumor-forming capacity could be due to the depletion of stem-like cells. Notch signaling levels were higher in the stem-like cell fraction, providing a potential mechanism for their increased sensitivity to inhibition of this pathway. We also observed that apoptotic rates following Notch blockade were almost 10-fold higher in primitive nestin-positive cells as compared with nestin-negative ones. Stem-like cells in brain tumors thus seem to be selectively vulnerable to agents inhibiting the Notch pathway.

Reversal of promoter DNA hypermethylation and associated gene silencing is an attractive cancer therapy approach. The DNA methylation inhibitors decitabine and azacitidine are efficacious for hematological neoplasms at lower, less toxic, doses. Experimentally, high doses induce rapid DNA damage and cytotoxicity, which do not explain the prolonged time to response observed in patients. We show that transient exposure of cultured and primary leukemic and epithelial tumor cells to clinically relevant nanomolar doses, without causing immediate cytotoxicity, produce an antitumor “memory” response, including inhibition of subpopulations of cancer stem-like cells. These effects are accompanied by sustained decreases in genomewide promoter DNA methylation, gene reexpression, and antitumor changes in key cellular regulatory pathways. Low-dose decitabine and azacitidine may have broad applicability for cancer management.

Abstract Brain tumors can arise following deregulation of signaling pathways normally activated during brain development and may derive from neural stem cells. Given the requirement for Hedgehog in non-neoplastic stem cells, we investigated whether Hedgehog blockade could target the stem-like population in glioblastoma multiforme (GBM). We found that Gli1, a key Hedgehog pathway target, was highly expressed in 5 of 19 primary GBM and in 4 of 7 GBM cell lines. Shh ligand was expressed in some primary tumors, and in GBM-derived neurospheres, suggesting a potential mechanism for pathway activation. Hedgehog pathway blockade by cyclopamine caused a 40%–60% reduction in growth of adherent glioma lines highly expressing Gli1 but not in those lacking evidence of pathway activity. When GBM-derived neurospheres were treated with cyclopamine and then dissociated and seeded in media lacking the inhibitor, no new neurospheres formed, suggesting that the clonogenic cancer stem cells had been depleted. Consistent with this hypothesis, the stem-like fraction in gliomas marked by both aldehyde dehydrogenase activity and Hoechst dye excretion (side population) was significantly reduced or eliminated by cyclopamine. In contrast, we found that radiation treatment of our GBM neurospheres increased the percentage of these stem-like cells, suggesting that this standard therapy preferentially targets better-differentiated neoplastic cells. Most importantly, viable GBM cells injected intracranially following Hedgehog blockade were no longer able to form tumors in athymic mice, indicating that a cancer stem cell population critical for ongoing growth had been removed. Disclosure of potential conflicts of interest is found at the end of this article.

Abstract Many agents are active in multiple myeloma, but the majority of patients relapse. This clinical pattern suggests most cancer cells are eliminated, but cells with the clonogenic potential to mediate tumor regrowth are relatively chemoresistant. Our previous data suggested that CD138+ multiple myeloma plasma cells cannot undergo long-term proliferation but rather arise from clonogenic CD138neg B cells. We compared the relative sensitivity of these distinct cell types to clinical antimyeloma agents and found that dexamethasone, lenadilomide, bortezomib, and 4-hydroxycyclophosphamide inhibited CD138+ multiple myeloma plasma cells but had little effect on CD138neg precursors in vitro. We further characterized clonogenic multiple myeloma cells and stained cell lines using the Hoechst side population and Aldefluor assays. Each assay identified CD138neg cells suggesting that they possess high drug efflux capacity and intracellular drug detoxification activity. We also found that multiple myeloma cells expressing the memory B-cell markers CD20 and CD27 could give rise to clonogenic multiple myeloma growth in vitro and engraft immunodeficient nonobese diabetes/severe combined immunodeficient mice during both primary and secondary transplantation. Furthermore, both the side population and Aldefluor assays were capable of identifying circulating clonotypic memory B-cell populations within the peripheral blood of multiple myeloma patients. Our results suggest that circulating clonotypic B-cell populations represent multiple myeloma stem cells, and the relative drug resistance of these cells is mediated by processes that protect normal stem cells from toxic injury. [Cancer Res 2008;68(1):190–7]

The cancer stem cell hypothesis suggests that malignant growth depends on a subset of tumor cells with stem cell-like properties of self-renewal. Because hedgehog (Hh) signaling regulates progenitor cell fate in normal development and homeostasis, aberrant pathway activation might be involved in the maintenance of such a population in cancer. Indeed, mutational activation of the Hh pathway is associated with medulloblastoma and basal cell carcinoma; pathway activity is also critical for growth of other tumors lacking such mutations, although the mechanism of pathway activation is poorly understood. Here we study the role and mechanism of Hh pathway activation in multiple myeloma (MM), a malignancy with a well defined stem cell compartment. In this model, rare malignant progenitors capable of clonal expansion resemble B cells, whereas the much larger tumor cell population manifests a differentiated plasma cell phenotype that pathologically defines the disease. We show that the subset of MM cells that manifests Hh pathway activity is markedly concentrated within the tumor stem cell compartment. The Hh ligand promotes expansion of MM stem cells without differentiation, whereas the Hh pathway blockade, while having little or no effect on malignant plasma cell growth, markedly inhibits clonal expansion accompanied by terminal differentiation of purified MM stem cells. These data reveal that Hh pathway activation is heterogeneous across the spectrum of MM tumor stem cells and their more differentiated progeny. The potential existence of similar relationships in other adult cancers may have important biologic and clinical implications for the study of aberrant Hh signaling.

BackgroundSpecific populations of highly tumorigenic cells are thought to exist in many human tumors, including pancreatic adenocarcinoma. However, the clinical significance of these tumor-initiating (ie, cancer stem) cells remains unclear. Aldehyde dehydrogenase (ALDH) activity can identify tumor-initiating cells and normal stem cells from several human tissues. We examined the prognostic significance and functional features of ALDH expression in pancreatic adenocarcinoma.

Abstract Because of its potent immunosuppressive yet stem cell–sparing activity, high-dose cyclophosphamide was tested as sole prophylaxis of graft-versus-host disease (GVHD) after myeloablative allogeneic bone marrow transplantation (alloBMT). We treated 117 patients (median age, 50 years; range, 21-66 years) with advanced hematologic malignancies; 78 had human leukocyte antigen (HLA)–matched related donors and 39 had HLA-matched unrelated donors. All patients received conventional myeloablation with busulfan/cyclophosphamide (BuCy) and T cell–replete bone marrow followed by 50 mg/kg/d of cyclophosphamide on days 3 and 4 after transplantation. The incidences of acute grades II through IV and grades III through IV GVHD for all patients were 43% and 10%, respectively. The nonrelapse mortality at day 100 and 2 years after transplantation were 9% and 17%, respectively. The actuarial overall survival and event-free survivals at 2 years after transplantation were 55% and 39%, respectively, for all patients and 63% and 54%, respectively, for patients who underwent transplantation while in remission. With a median follow-up of 26.3 months among surviving patients, the cumulative incidence of chronic GVHD is 10%. These results suggest that high-dose posttransplantation cyclophosphamide is an effective single-agent prophylaxis of acute and chronic GVHD after BuCy conditioning and HLA-matched BMT (clinicaltrials.gov no. NCT00134017).