Cells in Transit(ion) Epithelial-mesenchymal transition (EMT) is a developmental program that converts adherent epithelial cells to a migratory mesenchymal state. This cell-fate change has been linked to tumor metastasis in preclinical models. To investigate whether EMT occurs in human cancer, Yu et al. (p. 580 ) isolated circulating tumor cells (CTCs) from breast cancer patients and analyzed their expression of epithelial and mesenchymal markers by RNA–in situ hybridization and RNA sequencing. Biphenotypic cells expressing both types of markers were rare in primary breast tumors but were enriched among CTCs, as were cells expressing only mesenchymal markers. Serial blood samples from one patient revealed that CTCs in the mesenchymal state declined in number when the patient responded to therapy but rebounded when the disease began to progress—a pattern repeated when a different therapy was administered. Thus, EMT may facilitate tumor cell dissemination in humans.

Circulating tumor cell clusters (CTC clusters) are present in the blood of patients with cancer but their contribution to metastasis is not well defined. Using mouse models with tagged mammary tumors, we demonstrate that CTC clusters arise from oligoclonal tumor cell groupings and not from intravascular aggregation events. Although rare in the circulation compared with single CTCs, CTC clusters have 23- to 50-fold increased metastatic potential. In patients with breast cancer, single-cell resolution RNA sequencing of CTC clusters and single CTCs, matched within individual blood samples, identifies the cell junction component plakoglobin as highly differentially expressed. In mouse models, knockdown of plakoglobin abrogates CTC cluster formation and suppresses lung metastases. In breast cancer patients, both abundance of CTC clusters and high tumor plakoglobin levels denote adverse outcomes. Thus, CTC clusters are derived from multicellular groupings of primary tumor cells held together through plakoglobin-dependent intercellular adhesion, and though rare, they greatly contribute to the metastatic spread of cancer.

Rare circulating tumor cells (CTCs) present in the bloodstream of patients with cancer provide a potentially accessible source for detection, characterization, and monitoring of nonhematological cancers. We previously demonstrated the effectiveness of a microfluidic device, the CTC-Chip, in capturing these epithelial cell adhesion molecule (EpCAM)-expressing cells using antibody-coated microposts. Here, we describe a high-throughput microfluidic mixing device, the herringbone-chip, or “HB-Chip,” which provides an enhanced platform for CTC isolation. The HB-Chip design applies passive mixing of blood cells through the generation of microvortices to significantly increase the number of interactions between target CTCs and the antibody-coated chip surface. Efficient cell capture was validated using defined numbers of cancer cells spiked into control blood, and clinical utility was demonstrated in specimens from patients with prostate cancer. CTCs were detected in 14 of 15 (93%) patients with metastatic disease (median = 63 CTCs/mL, mean = 386 ± 238 CTCs/mL), and the tumor-specific TMPRSS2-ERG translocation was readily identified following RNA isolation and RT-PCR analysis. The use of transparent materials allowed for imaging of the captured CTCs using standard clinical histopathological stains, in addition to immunofluorescence-conjugated antibodies. In a subset of patient samples, the low shear design of the HB-Chip revealed microclusters of CTCs, previously unappreciated tumor cell aggregates that may contribute to the hematogenous dissemination of cancer.

A multistage microfluidic chip is capable of sorting rare EpCAM + and EpCAM − CTCs from cancer patients’ whole blood.

The ability to isolate and analyze rare circulating tumor cells (CTCs) has the potential to further our understanding of cancer metastasis and enhance the care of cancer patients. In this protocol, we describe the procedure for isolating rare CTCs from blood samples by using tumor antigen–independent microfluidic CTC-iChip technology. The CTC-iChip uses deterministic lateral displacement, inertial focusing and magnetophoresis to sort up to 107 cells/s. By using two-stage magnetophoresis and depletion antibodies against leukocytes, we achieve 3.8-log depletion of white blood cells and a 97% yield of rare cells with a sample processing rate of 8 ml of whole blood/h. The CTC-iChip is compatible with standard cytopathological and RNA-based characterization methods. This protocol describes device production, assembly, blood sample preparation, system setup and the CTC isolation process. Sorting 8 ml of blood sample requires 2 h including setup time, and chip production requires 2–5 d.

The Cluster-Chip provides highly efficient and gentle capture of circulating tumor cell clusters from milliliters of unprocessed whole blood, making it possible to study how these clusters contribute to metastasis. Cancer cells metastasize through the bloodstream either as single migratory circulating tumor cells (CTCs) or as multicellular groupings (CTC clusters). Existing technologies for CTC enrichment are designed to isolate single CTCs, and although CTC clusters are detectable in some cases, their true prevalence and significance remain to be determined. Here we developed a microchip technology (the Cluster-Chip) to capture CTC clusters independently of tumor-specific markers from unprocessed blood. CTC clusters are isolated through specialized bifurcating traps under low–shear stress conditions that preserve their integrity, and even two-cell clusters are captured efficiently. Using the Cluster-Chip, we identified CTC clusters in 30–40% of patients with metastatic breast or prostate cancer or with melanoma. RNA sequencing of CTC clusters confirmed their tumor origin and identified tissue-derived macrophages within the clusters. Efficient capture of CTC clusters will enable the detailed characterization of their biological properties and role in metastasis.

Automated imaging of prostate-specific cancer cells from the blood provides a measure of circulating tumor cell half-life after tumor resection.

Circulating tumour cells (CTCs) shed into blood from primary cancers include putative precursors that initiate distal metastases. Although these cells are extraordinarily rare, they may identify cellular pathways contributing to the blood-borne dissemination of cancer. Here, we adapted a microfluidic device for efficient capture of CTCs from an endogenous mouse pancreatic cancer model and subjected CTCs to single-molecule RNA sequencing, identifying Wnt2 as a candidate gene enriched in CTCs. Expression of WNT2 in pancreatic cancer cells suppresses anoikis, enhances anchorage-independent sphere formation, and increases metastatic propensity in vivo. This effect is correlated with fibronectin upregulation and suppressed by inhibition of MAP3K7 (also known as TAK1) kinase. In humans, formation of non-adherent tumour spheres by pancreatic cancer cells is associated with upregulation of multiple WNT genes, and pancreatic CTCs revealed enrichment for WNT signalling in 5 out of 11 cases. Thus, molecular analysis of CTCs may identify candidate therapeutic targets to prevent the distal spread of cancer.

Significance Metastasis is responsible for 90% of cancer-related deaths and is driven by tumor cells circulating in blood. However, it is believed that only individual tumor cells can reach distant organs because multicellular clusters are too large to pass through narrow capillaries. Here, we collected evidence by examining clusters in microscale devices, computational simulations, and animals, which suggest that this assumption is incorrect, and that clusters may transit through capillaries by unfolding into single-file chains. This previously unidentified cell behavior may explain why previous experiments reported that clusters were more efficient at seeding metastases than equal numbers of single tumor cells, and has led to a strategy that, if applied clinically, may reduce the incidence of metastasis in patients.

Purpose: The T790M gatekeeper mutation in the EGFR is acquired by some EGFR-mutant non–small cell lung cancers (NSCLC) as they become resistant to selective tyrosine kinase inhibitors (TKI). As third-generation EGFR TKIs that overcome T790M-associated resistance become available, noninvasive approaches to T790M detection will become critical to guide management.Experimental Design: As part of a multi-institutional Stand-Up-To-Cancer collaboration, we performed an exploratory analysis of 40 patients with EGFR-mutant tumors progressing on EGFR TKI therapy. We compared the T790M genotype from tumor biopsies with analysis of simultaneously collected circulating tumor cells (CTC) and circulating tumor DNA (ctDNA).Results: T790M genotypes were successfully obtained in 30 (75%) tumor biopsies, 28 (70%) CTC samples, and 32 (80%) ctDNA samples. The resistance-associated mutation was detected in 47% to 50% of patients using each of the genotyping assays, with concordance among them ranging from 57% to 74%. Although CTC- and ctDNA-based genotyping were each unsuccessful in 20% to 30% of cases, the two assays together enabled genotyping in all patients with an available blood sample, and they identified the T790M mutation in 14 (35%) patients in whom the concurrent biopsy was negative or indeterminate.Conclusions: Discordant genotypes between tumor biopsy and blood-based analyses may result from technological differences, as well as sampling different tumor cell populations. The use of complementary approaches may provide the most complete assessment of each patient's cancer, which should be validated in predicting response to T790M-targeted inhibitors. Clin Cancer Res; 22(5); 1103–10. ©2015 AACR.