The switch to an angiogenic phenotype is a fundamental determinant of neoplastic growth and tumor progression. We demonstrate that homozygous deletion of the p53 tumor suppressor gene via homologous recombination in a human cancer cell line promotes the neovascularization and growth of tumor xenografts in nude mice. We find that p53 promotes Mdm2-mediated ubiquitination and proteasomal degradation of the HIF-1α subunit of hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1), a heterodimeric transcription factor that regulates cellular energy metabolism and angiogenesis in response to oxygen deprivation. Loss of p53 in tumor cells enhances HIF-1α levels and augments HIF-1-dependent transcriptional activation of the vascular endothelial growth factor ( VEGF ) gene in response to hypoxia. Forced expression of HIF-1α in p53-expressing tumor cells increases hypoxia-induced VEGF expression and augments neovascularization and growth of tumor xenografts. These results indicate that amplification of normal HIF-1-dependent responses to hypoxia via loss of p53 function contributes to the angiogenic switch during tumorigenesis.

The antitumorigenic activity of antioxidants has been presumed to arise from their ability to squelch DNA damage and genomic instability mediated by reactive oxygen species (ROS). Here, we report that antioxidants inhibited three tumorigenic models in vivo. Inhibition of a MYC-dependent human B lymphoma model was unassociated with genomic instability but was linked to diminished hypoxia-inducible factor (HIF)-1 levels in a prolyl hydroxylase 2 and von Hippel-Lindau protein-dependent manner. Ectopic expression of an oxygen-independent, stabilized HIF-1 mutant rescued lymphoma xenografts from inhibition by two antioxidants: N-acetylcysteine and vitamin C. These findings challenge the paradigm that antioxidants diminish tumorigenesis primarily through decreasing DNA damage and mutations and provide significant support for a key antitumorigenic effect of diminishing HIF levels.

Abstract Proton magnetic resonance spectroscopy (1H MRS) consistently detects significant differences in choline phospholipid metabolites of malignant versus benign breast lesions. It is critically important to understand the molecular causes underlying these metabolic differences, because this may identify novel targets for attack in cancer cells. In this study, differences in choline membrane metabolism were characterized in breast cancer cells and normal human mammary epithelial cells (HMECs) labeled with [1,2-13C]choline, using 1H and 13C magnetic resonance spectroscopy. Metabolic fluxes between membrane and water-soluble pool of choline-containing metabolites were assessed by exposing cells to [1,2-13C]choline for long and short periods of time to distinguish between catabolic and anabolic pathways in choline metabolism. Gene expression analysis using microarrays was performed to understand the molecular mechanisms underlying these changes. Breast cancer cells exhibited increased phosphocholine (PC; P < 0.001), total choline-containing metabolites (P < 0.01), and significantly decreased glycerophosphocholine (P < 0.05) compared with normal HMECs. Decreased 13C-enrichment was detected in choline (P < 0.001) and phosphocholine (P < 0.05, P < 0.001) of breast cancer cells compared with HMECs, indicating a higher metabolic flux from membrane phosphatidylcholine to choline and phosphocholine in breast cancer cells. Choline kinase and phospholipase C were significantly overexpressed, and lysophospholipase 1, phospholipase A2, and phospholipase D were significantly underexpressed, in breast cancer cells compared with HMECs. The magnetic resonance spectroscopy data indicated that elevated phosphocholine in breast cancer cells was primarily attributable to increased choline kinase activity and increased catabolism mediated by increased phospholipase C activity. These observations were consistent with the overexpression of choline kinase and phospholipase C detected in the microarray analyses.

Abstract Purpose: Modern imaging technologies such as CT, PET, SPECT, and MRI employ contrast agents to visualize the tumor microenvironment, providing information on malignancy and response to treatment. Currently, all clinical imaging agents require chemical labeling, i.e. with iodine (CT), radioisotopes (PET/SPECT), or paramagnetic metals (MRI). The goal was to explore the possibility of using simple D ‐glucose as an infusable biodegradable MRI agent for cancer detection. Methods: D ‐glucose signals were detected using chemical exchange saturation transfer (glucoCEST) MRI of its hydroxyl groups. Feasibility was established in phantoms as well as in vivo using two human breast cancer cell lines, MDA‐MB‐231 and MCF‐7, implanted orthotopically in nude mice. PET and contrast‐enhanced MRI were also acquired. Results: Both tumor types exhibited significant glucoCEST signal enhancement during systemic sugar infusion (mild hyperglycemia), allowing their noninvasive visualization. GlucoCEST showed differences between types, while PET and CE‐MRI did not. Data are discussed in terms of signal contributions from the increased vascular volume in tumors and especially from the acidic extracellular extravascular space (EES), where glucoCEST signal is expected to be enhanced due to a slow down of hydroxyl proton exchange. Conclusions: This observation opens up the possibility for using simple non‐toxic sugars as contrast agents for cancer detection with MRI by employing hydroxyl protons as a natural label. Magn Reson Med, 2012. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.

Abstract Photoimmunotherapy (PIT) using an antibody conjugated to a near infrared dye IR700 is achieving significant success in target-specific elimination of cells. Fibroblast activation protein alpha (FAP-α) is an important target in cancer because of its expression by cancer associated fibroblasts (CAFs) as well as by some cancer cells. CAFs that express FAP-α have protumorigenic and immune suppressive functions. Using immunohistochemistry of human breast cancer tissue microarrays, we identified an increase of FAP-α+ CAFs in invasive breast cancer tissue compared to adjacent normal tissue. We found FAP-α expression increased in fibroblasts co-cultured with cancer cells. In proof-of-principle studies, we engineered human FAP-α overexpressing MDA-MB-231 and HT-1080 cancer cells and murine FAP-α overexpressing NIH-3T3 fibroblasts to evaluate several anti-FAP-α antibodies and selected AF3715 based on its high binding-affinity with both human and mouse FAP-α. After conjugation of AF3715 with the phthalocyanine dye IR700, the resultant antibody conjugate, FAP-α-IR700, was evaluated in cells and tumors for its specificity and effectiveness in eliminating FAP-α expressing cell populations with PIT. FAP-α-IR700-PIT resulted in effective FAP-α-specific cell killing in the engineered cancer cells and in two patient-derived CAFs in a dose-dependent manner. Following an intravenous injection, FAP-α-IR700 retention was three-fold higher than IgG-IR700 in FAP-α overexpressing tumors, and two-fold higher compared to wild-type tumors. FAP-α-IR700-PIT resulted in significant growth inhibition of tumors derived from FAP-α overexpressing human cancer cells. A reduction of endogenous FAP-α+ murine CAFs was identified at 7 days after FAP-α-IR700-PIT. FAP-α-targeted NIR-PIT presents a promising strategy to eliminate FAP-α+ CAFs.

Motivation: We previously identified alterations in brain and plasma glutamine/ glutamate with cachexia that led us to downregulate the glutamine transporter, SLC1A5, in the cachexia-inducing patient derived Pa04C PDAC cells. Goal(s): Targeting the glutamine transporter represents a promising approach to delay tumor progression and establish a novel treatment strategy in PDAC cachexia. Approach: We performed 1H MRS to determine the metabolic changes in multiple organs of mice. Results: We identified metabolic differences in organs of mice bearing SLC1A5 downregulated tumors compared to wild type or empty vector tumors. Our data identify SLC1A5 as a target to reduce PDAC induced cachexia and associated pathways Impact: By detecting these visceral organ metabolic changes we identified potential metabolic pathways that can be targeted to reduce cachexia.

Motivation: The poor prognosis of pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) creates an urgent need to identify new targets. PDAC is a metabolically active cancer that is glutamine avid. Goal(s): We downregulated the glutamine transporter, SLC1A5, in the patient-derived human cancer cell line, Pa04C, and observed significant tumor growth delay. Approach: High-field, high-resolution 1H MRS was performed of extracts from wild type, empty vector, and SLC1A5 downregulated tumors that was mapped to transcriptomic analysis of the corresponding cells, and to mass spectrometry imaging (MSI) of human normal and PDAC tissue. Results: Common pathways were identified from the analysis that identify new targets for PDAC. Impact: This study contributes to our comprehension of how the glutamate transporter SLC1A5 impacts the transcriptomics of pancreatic cancer cells, influences tumor metabolism, and its connection to variations in human PDAC metabolism. These findings could provide new insights into PDAC cancer.

Motivation: Metastasis is the leading cause of cancer-related mortality worldwide. We must pave new avenues for cancer treatment by interrogating the pro-tumorigenic properties of the tumor macroenvironment. Goal(s): We seek to investigate how tumorigenesis metabolically impacts the spleen microenvironment and how it contributes to immune evasion. Approach: Proton magnetic resonance spectroscopy was used to identify aqueous spleen metabolites during tumorigenesis. Flow cytometric analyses were conducted to immunophenotype splenic CD8+ T cells and to quantify MDSC and T-cell frequencies. Results: Tumorigenesis induced common, distinct metabolite changes in mouse spleens. Flow cytometric analyses revealed splenic CD8-T-cell exhaustion and reduced cytotoxic T-cell effector function. Impact: Tumors drive metabolic spleen alterations that may contribute to reduced CD8+ T cells and their exhaustion even before reaching the tumor, contributing to immune suppression and poor prognosis. This may provide metabolism-targeted strategies to improve immune surveillance and immunotherapy.

Motivation: Decorin (DCN), so called because it decorates collagen fibers, is essential for the mechanical integrity of tissues. It acts as a guardian of the extracellular matrix (ECM) by sequestering cytokines. Goal(s): Our purpose here was to determine the effects of DCN on water diffusion and the expression of immune checkpoints. Approach: DTI with MRI in decorin Results: . We found, with diffusion tensor imaging (DTI), that DCN overexpression in tumors altered water diffusion metrics suggesting that increased DCN altered water movement through the ECM that could potentially alter cytokine movement through the ECM. Impact: Cancer diagnosis