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.

Exosomes can transfer proteins and nucleic acids from one cell to another, altering the phenotype of the recipient cell. In the case of cancer, tumor-derived exosomes have been shown to promote tumor cell proliferation. Now, in a mouse model of melanoma, Peinado et al. report that exosomes derived from highly metastatic tumor cells can influence bone marrow cells, resulting in increased recruitment of provasculogenic bone marrow progenitors to sites of metastasis, increased primary tumor growth and metastatic spread. Tumor-derived exosomes are emerging mediators of tumorigenesis. We explored the function of melanoma-derived exosomes in the formation of primary tumors and metastases in mice and human subjects. Exosomes from highly metastatic melanomas increased the metastatic behavior of primary tumors by permanently 'educating' bone marrow progenitors through the receptor tyrosine kinase MET. Melanoma-derived exosomes also induced vascular leakiness at pre-metastatic sites and reprogrammed bone marrow progenitors toward a pro-vasculogenic phenotype that was positive for c-Kit, the receptor tyrosine kinase Tie2 and Met. Reducing Met expression in exosomes diminished the pro-metastatic behavior of bone marrow cells. Notably, MET expression was elevated in circulating CD45−C-KITlow/+TIE2+ bone marrow progenitors from individuals with metastatic melanoma. RAB1A, RAB5B, RAB7 and RAB27A, regulators of membrane trafficking and exosome formation, were highly expressed in melanoma cells. Rab27A RNA interference decreased exosome production, preventing bone marrow education and reducing, tumor growth and metastasis. In addition, we identified an exosome-specific melanoma signature with prognostic and therapeutic potential comprised of TYRP2, VLA-4, HSP70, an HSP90 isoform and the MET oncoprotein. Our data show that exosome production, transfer and education of bone marrow cells supports tumor growth and metastasis, has prognostic value and offers promise for new therapeutic directions in the metastatic process.

In a significant fraction of breast cancer patients, distant metastases emerge after years or even decades of latency. How disseminated tumour cells (DTCs) are kept dormant, and what wakes them up, are fundamental problems in tumour biology. To address these questions, we used metastasis assays in mice and showed that dormant DTCs reside on microvasculature of lung, bone marrow and brain. We then engineered organotypic microvascular niches to determine whether endothelial cells directly influence breast cancer cell (BCC) growth. These models demonstrated that endothelial-derived thrombospondin-1 induces sustained BCC quiescence. This suppressive cue was lost in sprouting neovasculature; time-lapse analysis showed that sprouting vessels not only permit, but accelerate BCC outgrowth. We confirmed this surprising result in dormancy models and in zebrafish, and identified active TGF-β1 and periostin as tumour-promoting factors derived from endothelial tip cells. Our work reveals that stable microvasculature constitutes a dormant niche, whereas sprouting neovasculature sparks micrometastatic outgrowth. Bissell, Ghajar and colleagues use organotypic culture systems and in vivo mouse and zebrafish models to reveal the distinct effects of different microvascular niches on tumour cell dormancy. They report that although the stable microvasculature promotes cancer cell quiescence through the production of thrombospondin-1, cancer cells residing near neovascular tips are induced to grow through the action of TGF-β and periostin.

There is an unmet clinical need for improved tissue and liquid biopsy tools for cancer detection. We investigated the proteomic profile of extracellular vesicles and particles (EVPs) in 426 human samples from tissue explants (TEs), plasma, and other bodily fluids. Among traditional exosome markers, CD9, HSPA8, ALIX, and HSP90AB1 represent pan-EVP markers, while ACTB, MSN, and RAP1B are novel pan-EVP markers. To confirm that EVPs are ideal diagnostic tools, we analyzed proteomes of TE- (n = 151) and plasma-derived (n = 120) EVPs. Comparison of TE EVPs identified proteins (e.g., VCAN, TNC, and THBS2) that distinguish tumors from normal tissues with 90% sensitivity/94% specificity. Machine-learning classification of plasma-derived EVP cargo, including immunoglobulins, revealed 95% sensitivity/90% specificity in detecting cancer. Finally, we defined a panel of tumor-type-specific EVP proteins in TEs and plasma, which can classify tumors of unknown primary origin. Thus, EVP proteins can serve as reliable biomarkers for cancer detection and determining cancer type.

The development of effective therapies against brain metastasis is currently hindered by limitations in our understanding of the molecular mechanisms driving it. Here we define the contributions of tumour-secreted exosomes to brain metastatic colonization and demonstrate that pre-conditioning the brain microenvironment with exosomes from brain metastatic cells enhances cancer cell outgrowth. Proteomic analysis identified cell migration-inducing and hyaluronan-binding protein (CEMIP) as elevated in exosomes from brain metastatic but not lung or bone metastatic cells. CEMIP depletion in tumour cells impaired brain metastasis, disrupting invasion and tumour cell association with the brain vasculature, phenotypes rescued by pre-conditioning the brain microenvironment with CEMIP+ exosomes. Moreover, uptake of CEMIP+ exosomes by brain endothelial and microglial cells induced endothelial cell branching and inflammation in the perivascular niche by upregulating the pro-inflammatory cytokines encoded by Ptgs2, Tnf and Ccl/Cxcl, known to promote brain vascular remodelling and metastasis. CEMIP was elevated in tumour tissues and exosomes from patients with brain metastasis and predicted brain metastasis progression and patient survival. Collectively, our findings suggest that targeting exosomal CEMIP could constitute a future avenue for the prevention and treatment of brain metastasis. Rodrigues et al. show that exosomal CEMIP derived from brain metastatic cells elicits vascular remodelling and inflammation and supports subsequent metastatic colonization in the brain microenvironment.

One critical obstacle facing tissue engineering is the formation of functional vascular networks that can support tissue survival in vivo. We hypothesized that prevascularizing a tissue construct with networks of well-formed capillaries would accelerate functional anastomosis with the host upon implantation. Fibrin-based tissues were prevascularized with capillary networks by coculturing human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) and fibroblasts in fibrin gels for 1 week. The prevascularized tissue and nonprevascularized controls were implanted subcutaneously onto the dorsal surface of immune-deficient mice and retrieved at days 3, 5, 7 and 14. HUVEC-lined vessels containing red blood cells were evident in the prevascularized tissue by day 5, significantly earlier than nonprevascularized tissues (14 days). Analysis of the HUVEC-lined vessels demonstrated that the number and area of perfused lumens in the prevascularized tissue were significantly larger compared to controls. In addition, collagen deposition and a larger number of proliferating cells were evident in the prevascularized tissue at day 14. Our results demonstrate that prevascularizing a fibrin-based tissue with well-formed capillaries accelerates anastomosis with the host vasculature, and promotes cellular activity consistent with tissue remodeling. Our prevascularization strategy may be useful to design large three-dimensional engineered tissues.

Summary Advanced prostate malignancies are a leading cause of cancer-related deaths in men, in large part due to our incomplete understanding of cellular drivers of disease progression. We investigated prostate cancer cell dynamics at single-cell resolution from disease onset to the development of androgen independence in vivo . We observe a dramatic expansion of a castration-resistant intermediate luminal cell type that correlates with treatment resistance and poor prognosis in human patients. Moreover, transformed epithelial cells and associated fibroblasts create a microenvironment conducive to pro-tumorigenic immune infiltration, which is in part androgen responsive. Androgen independent prostate cancer leads to significant diversification of intermediate luminal cell populations characterized by a range of androgen signaling activity inversely correlated with proliferation and mRNA translation. Accordingly, distinct epithelial populations are exquisitely sensitive to translation inhibition which leads to epithelial cell death, loss of pro-tumorigenic signaling, and decreased tumor heterogeneity. Our findings reveal a complex tumor environment largely dominated by castration-resistant luminal cells and immunosuppressive infiltrates.