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.

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.

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.

Dominant de novo mutations in the co-chaperone BAG3 cause a severe form of myofibrillar myopathy, exhibiting progressive muscle weakness, muscle structural failure, and protein aggregation. To identify therapies we generated two zebrafish models, one conditionally expressing BAG3P209L and one with a nonsense mutation in bag3. Whilst transgenic BAG3P209L expressing fish display protein aggregation, modelling the early phase of the disease, bag3-/- fish demonstrate impaired autophagic activity, exercise dependent fibre disintegration, and reduced swimming activity, consistent with later stages. We confirmed the presence of impaired autophagy in patient samples and screened autophagy promoting compounds for their effectiveness at removing protein aggregates, identifying nine including Metformin. Further evaluation demonstrated Metformin is not only able to remove the protein aggregates in zebrafish and human myoblasts but is also able to rescue the fibre disintegration and swimming deficit observed in the bag3-/- fish. Therefore, repurposing Metformin provides a promising therapy for BAG3 myopathy.