Abstract Invasion of tumor cells into the surrounding connective tissue and blood vessels is a key step in the metastatic spread of breast tumors. Although the presence of macrophages in primary tumors is associated with increased metastatic potential, the mechanistic basis for this observation is unknown. Using a chemotaxis-based in vivo invasion assay and multiphoton-based intravital imaging, we show that the interaction between macrophages and tumor cells facilitates the migration of carcinoma cells in the primary tumor. Gradients of either epidermal growth factor (EGF) or colony-stimulating factor 1 (CSF-1) stimulate collection into microneedles of tumor cells and macrophages even though tumor cells express only EGF receptor and macrophages express only CSF-1 receptor. Intravital imaging shows that macrophages and tumor cells migrate toward microneedles containing either EGF or CSF-1. Inhibition of either CSF-1– or EGF-stimulated signaling reduces the migration of both cell types. This work provides the first direct evidence for a synergistic interaction between macrophages and tumor cells during cell migration in vivo and indicates a mechanism for how macrophages may contribute to metastasis.

Although the presence of macrophages in tumors has been correlated with poor prognosis, until now there was no direct observation of how macrophages are involved in hematogenous metastasis. In this study, we use multiphoton microscopy to show, for the first time, that tumor cell intravasation occurs in association with perivascular macrophages in mammary tumors. Furthermore, we show that perivascular macrophages of the mammary tumor are associated with tumor cell intravasation in the absence of local angiogenesis. These results show that the interaction between macrophages and tumor cells lying in close proximity defines a microenvironment that is directly involved in the intravasation of cancer cells in mammary tumors.

Abstract Dissemination of tumor cells is an essential step in metastasis. Direct contact between a macrophage, mammalian-enabled (MENA)–overexpressing tumor cell, and endothelial cell [Tumor MicroEnvironment of Metastasis (TMEM)] correlates with metastasis in breast cancer patients. Here we show, using intravital high-resolution two-photon microscopy, that transient vascular permeability and tumor cell intravasation occur simultaneously and exclusively at TMEM. The hyperpermeable nature of tumor vasculature is described as spatially and temporally heterogeneous. Using real-time imaging, we observed that vascular permeability is transient, restricted to the TMEM, and required for tumor cell dissemination. VEGFA signaling from TIE2hi TMEM macrophages causes local loss of vascular junctions, transient vascular permeability, and tumor cell intravasation, demonstrating a role for the TMEM within the primary mammary tumor. These data provide insight into the mechanism of tumor cell intravasation and vascular permeability in breast cancer, explaining the value of TMEM density as a predictor of distant metastatic recurrence in patients. Significance: Tumor vasculature is abnormal with increased permeability. Here, we show that VEGFA signaling from TIE2hi TMEM macrophages results in local, transient vascular permeability and tumor cell intravasation. These data provide evidence for the mechanism underlying the association of TMEM with distant metastatic recurrence, offering a rationale for therapies targeting TMEM. Cancer Discov; 5(9); 932–43. ©2015 AACR. See related commentary by Kadioglu and De Palma, p. 906. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 893

Chemotherapy induces prometastatic changes in breast cancer, reversible by TIE2 or MENA inhibition.

Tumor-associated macrophages (TAMs) are critical for tumor metastasis. Two TAM subsets support cancer cell intravasation: migratory macrophages guide cancer cells toward blood vessels, where sessile perivascular macrophages assist their entry into the blood. However, little is known about the inter-relationship between these functionally distinct TAMs or their possible inter-conversion. We show that motile, streaming TAMs are newly arrived monocytes, recruited via CCR2 signaling, that then differentiate into the sessile perivascular macrophages. This unidirectional process is regulated by CXCL12 and CXCR4. Cancer cells induce TGF-β-dependent upregulation of CXCR4 in monocytes, while CXCL12 expressed by perivascular fibroblasts attracts these motile TAMs toward the blood vessels, bringing motile cancer cells with them. Once on the blood vessel, the migratory TAMs differentiate into perivascular macrophages, promoting vascular leakiness and intravasation.

ABSTRACT Pancreatic ductal adenocarcinoma is highly metastatic, poorly immunogenic, and immune suppression prevents T cell activation in the tumor microenvironment. We developed a microbial-based immunotherapeutic concept for selective delivery of a highly immunogenic tetanus toxoid protein (TT 856-1313 ), into tumor cells by attenuated Listeria monocytogenes , and reactivation of pre-existing TT-specific memory T cells (generated during childhood) to kill infected tumor cells. Thus, TT here functions as an alternative for neoantigens. Treatment of KPC mice with Listeria -TT resulted in TT accumulation in tumors and inside tumor cells, and attraction of predominantly TT-specific memory CD4 T cells. Moreover, gemcitabine (GEM) combined with Listeria-TT significantly improved the migration of CD4 T cells into tumors and the production of perforin and granzyme B, turning cold tumors into immunological hot tumors. In vivo depletion of T cells in Listeria-TT+GEM-treated mice demonstrated CD4 T cell-mediated eradication of tumors and metastases (Mann-Whitney p<0.05). In addition, peritumoral lymph node like structures (LNS) were observed in close contact with the pancreatic tumors displaying CD4 T cells and CD8 T cells of KPC mice treated with Listeria -TT or Listeria -TT+GEM. The production of perforin and granzyme B was observed in LNS of KPC mice that received Listeria -TT+GEM. This combination not only reduced tumor burden (80%) and metastases (87%) significantly (p<0.05, Mann-Whitney), but also improved the survival time of KPC mice with advanced pancreatic cancer substantially (Mantel-Cox p<0.0001). Our results unveil new mechanisms of Listeria and GEM improving immunotherapy for PDAC.

Abstract Tumor cell intravasation is essential for metastatic dissemination, but its exact mechanism is incompletely understood. We have previously shown that in breast cancer, the direct and stable association of a tumor cell expressing Mena, a Tie2 hi /VEGF hi macrophage, and a vascular endothelial cell, creates an intravasation portal, called a “tumor microenvironment of metastasis” (TMEM) doorway, for tumor cell intravasation, leading to dissemination to distant sites. The density of TMEM doorways, also called TMEM doorway score, is a clinically validated prognostic marker of distant metastasis in breast cancer patients. Although we know that tumor cells utilize TMEM doorway-associated transient vascular openings to intravasate, the precise signaling mechanisms involved in TMEM doorway function are only partially understood. Using two mouse models of breast cancer and an in vitro assay of intravasation, we report that CSF-1 secreted by the TMEM doorway tumor cell stimulates local secretion of VEGF-A from the Tie2 hi TMEM doorway macrophage, leading to the dissociation of endothelial junctions between TMEM doorway associated endothelial cells, supporting tumor cell intravasation. Acute blockade of CSF-1R signaling decreases macrophage VEGF-A secretion as well as TMEM doorway-associated vascular opening, tumor cell trans-endothelial migration, and dissemination. These new insights into signaling events regulating TMEM doorway function should be explored further as treatment strategies for metastatic disease.

ABSTRACT Metastases are initiated by disseminated tumor cells (DTCs) that depart from the primary tumor and colonize target organs. Growing evidence suggests that the microenvironment of the primary tumor lesion primes DTCs to display dormant or proliferative fates in target organs. However, the manner in which events taking place in the primary tumor influence DTC fate, sometimes long after dissemination, remains poorly understood. With the advent of a novel intravital imaging technique called the Window for High-Resolution Intravital Imaging of the Lung (WHRIL), we have, for the first time, been able to study the live lung longitudinally and follow the fate of individual DTCs that spontaneously disseminate from orthotopic breast tumors. We find, across several models, a high rate of success for tumor cells to complete the initial steps of the metastatic cascade in the secondary site, including retention of DTCs in the lung vasculature, speed of extravasation, and survival after extravasation. Importantly, initiation of metastatic growth was controlled primarily by a rate-limiting step that occurred post-extravasation and at the stage of the conversion of single DTCs from a dormant to a proliferative state. Detailed analysis of these events revealed that, even before dissemination, a subset of macrophages within the primary tumor induces, in tumor cells that are about to disseminate, the expression of proteins that regulate a pro- dissemination (Mena INV ) and pro-dormancy (NR2F1) phenotype. Surprisingly, if cancer cells are intravenously injected, the rate limiting stages of Mena INV -associated extravasation, dormancy, and other parameters, are lost or altered in a way that impacts how DTCs progress through the metastatic cascade. Our work provides novel insight into how specific primary tumor microenvironments prime a subpopulation of cells for dissemination and dormancy. We also propose that dissecting mechanisms of metastasis, or testing anti-metastatic therapies, may yield results of limited application if derived from models that do not follow spontaneous dissemination. SIGNIFICANCE This study provides important insight into the contribution of primary tumor microenvironmental niches to cancer metastasis by identifying the manner in which these niches spawn subpopulations of DTCs that are primed for dissemination and dormancy in the secondary site. This study may provide novel targets that could be inhibited to prevent successful colonization of the secondary site and, hence, metastasis.

Abstract The triple‐network model has been widely applied in neuropsychiatric disorders including autism spectrum disorder (ASD). However, the mechanism of causal regulations within the triple‐network and their relations with symptoms of ASD remains unclear. 81 male ASD and 80 well matched typically developing control (TDC) were included in this study, recruited from Autism Brain Image Data Exchange‐I datasets. Spatial reference‐based independent component analysis was used to identify the anterior and posterior part of default‐mode network (aDMN and pDMN), salience network (SN), and bilateral executive‐control network (ECN) from resting‐state functional magnetic resonance imaging data. Spectral dynamic causal model and parametric empirical Bayes with Bayesian model reduction/average were adopted to explore the effective connectivity (EC) within triple‐network and the relationship between EC and autism diagnostic observation schedule (ADOS) scores. After adjusting for age and site effect, ASD and TDC groups both showed inhibition patterns. Compared with TDC, ASD group showed weaker self‐inhibition in aDMN and pDMN, stronger inhibition in pDMN→aDMN, weaker inhibition in aDMN→LECN, pDMN→SN, LECN→SN, and LECN→RECN. Furthermore, negative relationships between ADOS scores and pDMN self‐inhibition strength, as well as with the EC of pDMN→aDMN were observed in ASD group. The present study reveals imbalanced effective connections within triple‐networks in ASD children. More attentions should be focused at the pDMN, which modulates the core symptoms of ASD and may serve as an important region for ASD diagnosis and the target region for ASD treatments.