Ever since Stephen Paget’s 1889 hypothesis, metastatic organotropism has remained one of cancer’s greatest mysteries. Here we demonstrate that exosomes from mouse and human lung-, liver- and brain-tropic tumour cells fuse preferentially with resident cells at their predicted destination, namely lung fibroblasts and epithelial cells, liver Kupffer cells and brain endothelial cells. We show that tumour-derived exosomes uptaken by organ-specific cells prepare the pre-metastatic niche. Treatment with exosomes from lung-tropic models redirected the metastasis of bone-tropic tumour cells. Exosome proteomics revealed distinct integrin expression patterns, in which the exosomal integrins α6β4 and α6β1 were associated with lung metastasis, while exosomal integrin αvβ5 was linked to liver metastasis. Targeting the integrins α6β4 and αvβ5 decreased exosome uptake, as well as lung and liver metastasis, respectively. We demonstrate that exosome integrin uptake by resident cells activates Src phosphorylation and pro-inflammatory S100 gene expression. Finally, our clinical data indicate that exosomal integrins could be used to predict organ-specific metastasis. Exosomes originating from lung-, liver- and brain-tropic tumour cells are preferentially incorporated by specific resident cells of the target organs, thus preparing the site for metastasis; the expression of distinct combinations of exosomal integrin proteins determines the exosomal targeting to each of the three organs, and blocking these integrins reduces organotropic exosome uptake by the target organs, thereby reducing the likelihood of organotropic metastasis. How do cancer cells choose the next organ to target? David Lyden and colleagues show that extracellular vesicles (exosomes) that originate from tumour cells can preferentially fuse with specific resident cells of the target organs — lung, liver and brain — to prepare the site of metastasis. At a molecular level, expression of distinct combinations of integrin proteins on exosomes seems to mediate their targeting to one of the three organs. By blocking these integrins, the authors could reduce the uptake of the associated exosomes by the target organs and so the likelihood of metastasis. Moreover, the exosomal integrins could be used to predict organ-specific metastasis in cancer patients.

Pancreatic ductal adenocarcinomas (PDACs) are highly metastatic with poor prognosis, mainly due to delayed detection. We hypothesized that intercellular communication is critical for metastatic progression. Here, we show that PDAC-derived exosomes induce liver pre-metastatic niche formation in naive mice and consequently increase liver metastatic burden. Uptake of PDAC-derived exosomes by Kupffer cells caused transforming growth factor β secretion and upregulation of fibronectin production by hepatic stellate cells. This fibrotic microenvironment enhanced recruitment of bone marrow-derived macrophages. We found that macrophage migration inhibitory factor (MIF) was highly expressed in PDAC-derived exosomes, and its blockade prevented liver pre-metastatic niche formation and metastasis. Compared with patients whose pancreatic tumours did not progress, MIF was markedly higher in exosomes from stage I PDAC patients who later developed liver metastasis. These findings suggest that exosomal MIF primes the liver for metastasis and may be a prognostic marker for the development of PDAC liver metastasis. Lyden and colleagues report that pancreatic cancer-derived exosomes induce a pre-metastatic niche in the liver by promoting TGFβ secretion from Kupffer cells, leading to fibronectin production in hepatic stellate cells and macrophage recruitment.

Abstract Immunosuppressive elements within the tumor microenvironment such as Tumor Associated Macrophages (TAMs) can present a barrier to successful anti-tumor responses by cytolytic T cells. We employed preclinical syngeneic p53 null mouse models of triple negative breast cancer (TNBC) to develop a treatment regimen that harnessed the immunostimulatory effects of low-dose cyclophosphamide coupled with the pharmacologic inhibition of TAMs using either a small molecule CSF1R inhibitor or an anti-CSF1R antibody. This therapeutic combination was used to successfully treat several highly aggressive TNBC murine mammary tumors and lung metastasis. Using this regimen and single cell RNA sequencing we characterized tumor infiltrating lymphocytes (TILs) including helper T cells and antigen-presenting B cells that were highly enriched in good responders to combination therapy. Using high dimensional imaging techniques, we identified the close spatial localization of B220+ CD86+ activated B cells and CD4+ T cells in tertiary lymphoid structures that were present up to 6 weeks post-treatment in one model that also exhibited long-term tumor regression post-treatment. We also characterized the transcriptional and metabolic heterogeneity of TAMS in these two closely related claudin-low/mesenchymal subtype tumor models with differential treatment responses. A murine TAM signature derived from the T12 model is highly expressed and conserved in human claudin-low breast cancers, and high expression of the T12 signature correlated with reduced overall survival. This T12 tumor TAM signature may help identify human claudin-low breast cancer patients that will benefit from the combination of cyclophosphamide and anti-CSF1R therapy. These studies illustrate the complexity of the tumor immune microenvironment and highlight different immune responses that result from rationale combinations of immunotherapy. Significance A treatment regimen that harnessed the immunostimulatory effects of cyclophosphamide coupled with the inhibition of CSF1R was used to successfully treat several highly aggressive claudin-low TNBC murine mammary tumors and lung metastasis.

Summary ER+ breast cancer exhibits a strong bone-tropism in metastasis. How the bone microenvironment impacts the ER signaling and endocrine therapies remains poorly understood. Here, we discover that the osteogenic niche transiently reduces ER expression and activities specifically in bone micrometastases (BMMs), leading to endocrine resistance. This is mediated by gap junctions and paracrine FGF/PDGF signaling, which together generate a stable “memory”: cancer cells extracted from bone remain resistant to endocrine therapies for several generations. Using single cell-derived populations (SCPs), we demonstrated that this process is independent of clonal selection, and represents an EZH2-mediated epigenomic reprogramming. EZH2 drives ER+ BMMs toward a basal and stem-like state. EZH2 inhibition reverses endocrine resistance. Our data demonstrates how epigenomic adaptation to the bone microenvironment drives phenotypic plasticity of metastatic seeds and alters their therapeutic responses together with clonal selection, and provides insights into the clinical enigma of ER+ metastatic recurrences despite endocrine therapies.

SUMMARY Metastasis has been considered as the terminal step of tumor progression. However, recent clinical studies suggest that many metastases are seeded from other metastases, rather than primary tumors. Thus, some metastases can further spread, but the corresponding pre-clinical models are lacking. By using several approaches including parabiosis and an evolving barcode system, we demonstrated that the bone microenvironment facilitates breast and prostate cancer cells to further metastasize and establish multi-organ secondary metastases. Importantly, dissemination from the bone microenvironment appears to be more aggressive compared to that from mammary tumors and lung metastases. We further uncovered that this metastasis-promoting effect is independent from genetic selection, as single cell-derived cancer cell populations (SCPs) exhibited enhanced metastasis capacity after being extracted from the bone microenvironment. Taken together, our work revealed a previously unappreciated effect of the bone microenvironment on metastasis evolution, and suggested a stable reprogramming process that engenders cancer cells more metastatic.