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.

The cellular and molecular mechanisms by which a tumour cell undergoes metastasis to a predetermined location are largely unknown. Here we demonstrate that bone marrow-derived haematopoietic progenitor cells that express vascular endothelial growth factor receptor 1 (VEGFR1; also known as Flt1) home to tumour-specific pre-metastatic sites and form cellular clusters before the arrival of tumour cells. Preventing VEGFR1 function using antibodies or by the removal of VEGFR1+ cells from the bone marrow of wild-type mice abrogates the formation of these pre-metastatic clusters and prevents tumour metastasis, whereas reconstitution with selected Id3 (inhibitor of differentiation 3)-competent VEGFR1+ cells establishes cluster formation and tumour metastasis in Id3 knockout mice. We also show that VEGFR1+ cells express VLA-4 (also known as integrin α4β1), and that tumour-specific growth factors upregulate fibronectin—a VLA-4 ligand—in resident fibroblasts, providing a permissive niche for incoming tumour cells. Conditioned media obtained from distinct tumour types with unique patterns of metastatic spread redirected fibronectin expression and cluster formation, thereby transforming the metastatic profile. These findings demonstrate a requirement for VEGFR1+ haematopoietic progenitors in the regulation of metastasis, and suggest that expression patterns of fibronectin and VEGFR1+VLA-4+ clusters dictate organ-specific tumour spread. Many tumours have a tendency towards metastasis to specific organs. The mechanisms that guide tumour cells to a specific tissue are largely unknown, but current thinking is that it may involve molecular differences inherent in the tumour cells themselves, modulated by the effects of immune cells and other tissues. New research suggests another possibility: haematopoietic precursor cells in the bone marrow expressing VEGFR1 appear to home in on specific sites before the tumour cells get there, paving the way for wandering metastatic cells by forming niches where they can locate and multiply. The concept of a pre-metastatic niche, in which non-cancer cells promote future metastasis, is a novel one that raises the possibility that targeting VEGFR1 and related molecules could have therapeutic value.

Crystal Mackall and colleagues report that antigen-independent signaling of chimeric antigen receptors (CARs) causes T cell exhaustion and reduced therapeutic efficacy of CAR T cells that can be overcome by incorporating the 4-1BB costimulatory domain into the CAR. Chimeric antigen receptors (CARs) targeting CD19 have mediated dramatic antitumor responses in hematologic malignancies, but tumor regression has rarely occurred using CARs targeting other antigens. It remains unknown whether the impressive effects of CD19 CARs relate to greater susceptibility of hematologic malignancies to CAR therapies, or superior functionality of the CD19 CAR itself. We show that tonic CAR CD3-ζ phosphorylation, triggered by antigen-independent clustering of CAR single-chain variable fragments, can induce early exhaustion of CAR T cells that limits antitumor efficacy. Such activation is present to varying degrees in all CARs studied, except the highly effective CD19 CAR. We further determine that CD28 costimulation augments, whereas 4-1BB costimulation reduces, exhaustion induced by persistent CAR signaling. Our results provide biological explanations for the antitumor effects of CD19 CARs and for the observations that CD19 CAR T cells incorporating the 4-1BB costimulatory domain are more persistent than those incorporating CD28 in clinical trials.

Preventing trafficking of myeloid-derived suppressor cells to the tumor site enhances the efficiency of checkpoint blockade.

We have investigated the importance of interleukin-6 (IL-6) in promoting tumor growth and metastasis. In human primary breast cancers, increased levels of IL-6 were found at the tumor leading edge and positively correlated with advanced stage, suggesting a mechanistic link between tumor cell production of IL-6 and invasion. In support of this hypothesis, we showed that the IL-6/Janus kinase (JAK)/signal transducer and activator of transcription 3 (Stat3) pathway drives tumor progression through the stroma and metastatic niche. Overexpression of IL-6 in tumor cell lines promoted myeloid cell recruitment, angiogenesis, and induced metastases. We demonstrated the therapeutic potential of interrupting this pathway with IL-6 receptor blockade or by inhibiting its downstream effectors JAK1/2 or Stat3. These clinically relevant interventions did not inhibit tumor cell proliferation in vitro but had profound effects in vivo on tumor progression, interfering broadly with tumor-supportive stromal functions, including angiogenesis, fibroblast infiltration, and myeloid suppressor cell recruitment in both the tumor and pre-metastatic niche. This study provides the first evidence for IL-6 expression at the leading edge of invasive human breast tumors and demonstrates mechanistically that IL-6/JAK/Stat3 signaling plays a critical and pharmacologically targetable role in orchestrating the composition of the tumor microenvironment that promotes growth, invasion, and metastasis.

We evaluated the safety and activity of autologous T cells expressing NY-ESO-1c259, an affinity-enhanced T-cell receptor (TCR) recognizing an HLA-A2-restricted NY-ESO-1/LAGE1a-derived peptide, in patients with metastatic synovial sarcoma (NY-ESO-1c259T cells). Confirmed antitumor responses occurred in 50% of patients (6/12) and were characterized by tumor shrinkage over several months. Circulating NY-ESO-1c259T cells were present postinfusion in all patients and persisted for at least 6 months in all responders. Most of the infused NY-ESO-1c259T cells exhibited an effector memory phenotype following ex vivo expansion, but the persisting pools comprised largely central memory and stem-cell memory subsets, which remained polyfunctional and showed no evidence of T-cell exhaustion despite persistent tumor burdens. Next-generation sequencing of endogenous TCRs in CD8+ NY-ESO-1c259T cells revealed clonal diversity without contraction over time. These data suggest that regenerative pools of NY-ESO-1c259T cells produced a continuing supply of effector cells to mediate sustained, clinically meaningful antitumor effects.Significance: Metastatic synovial sarcoma is incurable with standard therapy. We employed engineered T cells targeting NY-ESO-1, and the data suggest that robust, self-regenerating pools of CD8+ NY-ESO-1c259T cells produce a continuing supply of effector cells over several months that mediate clinically meaningful antitumor effects despite prolonged exposure to antigen. Cancer Discov; 8(8); 944-57. ©2018 AACR.See related commentary by Keung and Tawbi, p. 914This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 899.

2561 Background: Early human studies with Natural Killer (NK) cells have shown promise, harnessing their ability to infiltrate into tumors and be tumoricidal. However, these effects can be limited by adenosine, reactive oxygen species, and TGF-β in the highly immune suppressive tumor microenvironment (TME). TGF-β and downstream SMAD3 signaling in Natural Killer (NK) cells have been shown to cause decreased cytokine production, downregulation of activating cell surface receptors, and attenuated cytotoxic function against solid tumors. Exposure to TGF-β during cell culture generates expanded NK cells with increased resistance to TGF-β signaling, dubbed TGF-β imprinted NK cells. In vitrostudies have shown that these cells have increased cytokine production and cytotoxic function in the presence of TGF-β. However, their in vivo trafficking, modulation of the TME, and therapeutic efficacy remain understudied. Our lab has previously shown that when given to tumor-bearing mice, myeloid cells modified to produce IL-12 (IL-12-Genetically Engineered Myeloid cells, aka IL-12 GEMys) are effective at homing to tumor and metastatic sites and, via IL-12 secretion and TME modulation, increase NK cell presence and activation in these sites. They hold great promise as combination therapy, enhancing the effectiveness of other cellular therapies such as NK cell therapy. A current clinical trial exploring TGF-β Imprinted, Ex Vivo Expanded, Universal Donor NK Cell Infusions in relapsed sarcomas is underway (NCT05634369). Methods: In vitro experiments were conducted with the xCELLigence real-time cell analysis system. The human osteosarcoma cell line 143B and human rhabdomyosarcoma cell line RH-30 were evaluated for cell death after co-culture with healthy donor NK cells or TGF-β imprinted NK cells (E:T ratio of 5:1) in isolation and in combination with IL-12 GEMys (E:T ratio of 2:1). Results: TGF-β imprinted NK cells are significantly more effective at tumor cell killing of both 143B and RH30 cell lines in-vitro compared to regular expanded NK cells (WT NK cells), with >90% decrease in cell index compared to 50-60%, respectively, after 48 hours of co-culture. IL-12 GEMys also significantly enhance the cytotoxic effects of WT NK cells, increasing cell killing to 70-80% compared to co-culture with untransduced GEMy controls. Conclusions: These initial in-vitro experiments provide insight into the promising effectiveness of NK-myeloid cell combination therapies in the treatment of pediatric sarcomas. Ongoing in vitroexperiments include cytokine quantification by ELISA and flow cytometric analysis of NK cell activation and proliferation markers. Our preliminary results provide rationale to continue studying the in vivo efficacy of TGF-β imprinted NK cell monotherapy and in combination with IL-12 GEMys in the treatment of tumor-bearing NSG mice.