Here, we propose a new model for understanding the Warburg effect in tumor metabolism. Our hypothesis is that epithelial cancer cells induce the Warburg effect (aerobic glycolysis) in neighboring stromal fibroblasts. These cancer-associated fibroblasts, then undergo myo-fibroblastic differentiation, and secrete lactate and pyruvate (energy metabolites resulting from aerobic glycolysis). Epithelial cancer cells could then take up these energy-rich metabolites and use them in the mitochondrial TCA cycle, thereby promoting efficient energy production (ATP generation via oxidative phosphorylation), resulting in a higher proliferative capacity. In this alternative model of tumorigenesis, the epithelial cancer cells instruct the normal stroma to transform into a wound-healing stroma, providing the necessary energy-rich micro-environment for facilitating tumor growth and angiogenesis. In essence, the fibroblastic tumor stroma would directly feed the epithelial cancer cells, in a type of host-parasite relationship. We have termed this new idea the "Reverse Warburg Effect." In this scenario, the epithelial tumor cells "corrupt" the normal stroma, turning it into a factory for the production of energy-rich metabolites. This alternative model is still consistent with Warburg's original observation that tumors show a metabolic shift towards aerobic glycolysis. In support of this idea, unbiased proteomic analysis and transcriptional profiling of a new model of cancer-associated fibroblasts (caveolin-1 (Cav-1) deficient stromal cells), shows the up-regulation of both i) myo-fibroblast markers and ii) glycolytic enzymes, under normoxic conditions. We validated the expression of these proteins in the fibroblastic stroma of human breast cancer tissues that lack stromal Cav-1. Importantly, a loss of stromal Cav-1 in human breast cancers is associated with tumor recurrence, metastasis, and poor clinical outcome. Thus, an absence of stromal Cav-1 may be a biomarker for the "Reverse Warburg Effect", explaining its powerful predictive value.

Previously, we proposed a new model for understanding the "Warburg effect" in tumor metabolism. In this scheme, cancer-associated fibroblasts undergo aerobic glycolysis and the resulting energy-rich metabolites are then transferred to epithelial cancer cells, where they enter the TCA cycle, resulting in high ATP production via oxidative phosphorylation. We have termed this new paradigm "The Reverse Warburg Effect." Here, we directly evaluate whether the end-products of aerobic glycolysis (3-hydroxy-butyrate and L-lactate) can stimulate tumor growth and metastasis, using MDA-MB-231 breast cancer xenografts as a model system. More specifically, we show that administration of 3-hydroxy-butyrate (a ketone body) increases tumor growth by ~2.5-fold, without any measurable increases in tumor vascularization/angiogenesis. Both 3-hydroxy-butyrate and L-lactate functioned as chemo-attractants, stimulating the migration of epithelial cancer cells. Although L-lactate did not increase primary tumor growth, it stimulated the formation of lung metastases by ~10-fold. Thus, we conclude that ketones and lactate fuel tumor growth and metastasis, providing functional evidence to support the "Reverse Warburg Effect." Moreover, we discuss the possibility that it may be unwise to use lactate-containing i.v. solutions (such as Lactated Ringer's or Hartmann's solution) in cancer patients, given the dramatic metastasis-promoting properties of L-lactate. Also, we provide evidence for the up-regulation of oxidative mitochondrial metabolism and the TCA cycle in human breast cancer cells in vivo, via an informatics analysis of the existing raw transcriptional profiles of epithelial breast cancer cells and adjacent stromal cells. Lastly, our findings may explain why diabetic patients have an increased incidence of cancer, due to increased ketone production, and a tendency towards autophagy/mitophagy in their adipose tissue.

Loss of stromal fibroblast caveolin-1 (Cav-1) is a powerful single independent predictor of poor prognosis in human breast cancer patients, and is associated with early tumor recurrence, lymph node metastasis, and tamoxifen-resistance. We developed a novel co-culture system to understand the mechanism(s) by which a loss of stromal fibroblast Cav-1 induces a "lethal tumor micro-environment". Here, we propose a new paradigm to explain the powerful prognostic value of stromal Cav-1. In this model, cancer cells induce oxidative stress in cancer associated fibroblasts, which then acts as a "metabolic" and "mutagenic" motor to drive tumor-stroma co-evolution, DNA damage, and aneuploidy in cancer cells. More specifically, we show that an acute loss of Cav-1 expression leads to mitochondrial dysfunction, oxidative stress, and aerobic glycolysis in cancer associated fibroblasts. Also, we propose that defective mitochondria are removed from cancer-associated fibroblasts by autophagy/mitophagy that is induced by oxidative stress. As a consequence, cancer associated fibroblasts provide nutrients (such as lactate) to stimulate mitochondrial biogenesis and oxidative metabolism in adjacent cancer cells (the "Reverse Warburg Effect"). We provide evidence that oxidative stress in cancer associated fibroblasts is sufficient to induce genomic instability in adjacent cancer cells, via a bystander effect, potentially increasing their aggressive behavior. Finally, we directly demonstrate that nitric oxide (NO) over-production, secondary to Cav-1 loss, is the root cause for mitochondrial dysfunction in cancer associated fibroblasts. In support of this notion, treatment with anti-oxidants (such as N-acetyl-cysteine, metformin, and quercetin), or NO inhibitors (L-NAME) was sufficient to reverse many of the cancer-associated fibroblast phenotypes that we describe. Thus, cancer cells use "oxidative stress" in adjacent fibroblasts i) as an "engine" to fuel their own survival via the stromal production of nutrients, and ii) to drive their own mutagenic evolution towards a more aggressive phenotype, by promoting genomic instability. We also present evidence that the "field effect" in cancer biology could also be related to the stromal production of ROS and NO species. eNOS-expressing fibroblasts have the ability to down-regulate Cav-1 and induce mitochondrial dysfunction in adjacent fibroblasts that do not express eNOS. As such, the effects of stromal oxidative stress can be laterally propagated, amplified, and are effectively "contagious"-spread from cell-to-cell like a virus-creating an "oncogenic/mutagenic" field promoting widespread DNA damage.

// Rebecca Lamb 1,2,* , Bela Ozsvari 1,2,* , Camilla L. Lisanti 3,** , Herbert B. Tanowitz 4 , Anthony Howell 1,2 , Ubaldo E. Martinez-Outschoorn 5 , Federica Sotgia 1,2 and Michael P. Lisanti 1,2 1 The Breakthrough Breast Cancer Research Unit, Institute of Cancer Sciences, University of Manchester, UK 2 The Manchester Centre for Cellular Metabolism (MCCM), Institute of Cancer Sciences, University of Manchester, UK 3 The Moor Allerton Preparatory School, Didsbury, Manchester, UK 4 Departments of Pathology and Medicine, The Albert Einstein College of Medicine, Bronx, NY, USA 5 The Kimmel Cancer Center, Philadelphia, PA, USA * These authors contributed equally to this study and should be considered as co-first authors ** provided the initial idea for this study Correspondence: Michael P. Lisanti, email: // Federica Sotgia, email: // Keywords : mitochondria, mitochondrial biogenesis, cancer stem cells, tumor initiating cells, antibiotics Received : December 24, 2014 Accepted : January 15, 2015 Published : January 22, 2015 Abstract Here, we propose a new strategy for the treatment of early cancerous lesions and advanced metastatic disease, via the selective targeting of cancer stem cells (CSCs), a.k.a., tumor-initiating cells (TICs). We searched for a global phenotypic characteristic that was highly conserved among cancer stem cells, across multiple tumor types, to provide a mutation-independent approach to cancer therapy. This would allow us to target cancer stem cells, effectively treating cancer as a single disease of “stemness”, independently of the tumor tissue type. Using this approach, we identified a conserved phenotypic weak point – a strict dependence on mitochondrial biogenesis for the clonal expansion and survival of cancer stem cells. Interestingly, several classes of FDA-approved antibiotics inhibit mitochondrial biogenesis as a known “side-effect”, which could be harnessed instead as a “therapeutic effect”. Based on this analysis, we now show that 4-to-5 different classes of FDA-approved drugs can be used to eradicate cancer stem cells, in 12 different cancer cell lines, across 8 different tumor types (breast, DCIS, ovarian, prostate, lung, pancreatic, melanoma, and glioblastoma (brain)). These five classes of mitochondrially-targeted antibiotics include: the erythromycins, the tetracyclines, the glycylcyclines, an anti-parasitic drug, and chloramphenicol. Functional data are presented for one antibiotic in each drug class: azithromycin, doxycycline, tigecycline, pyrvinium pamoate, as well as chloramphenicol, as proof-of-concept. Importantly, many of these drugs are non-toxic for normal cells, likely reducing the side effects of anti-cancer therapy. Thus, we now propose to treat cancer like an infectious disease, by repurposing FDA-approved antibiotics for anti-cancer therapy, across multiple tumor types. These drug classes should also be considered for prevention studies, specifically focused on the prevention of tumor recurrence and distant metastasis. Finally, recent clinical trials with doxycycline and azithromycin (intended to target cancer-associated infections, but not cancer cells) have already shown positive therapeutic effects in cancer patients, although their ability to eradicate cancer stem cells was not yet appreciated.

Recently, using a co-culture system, we demonstrated that MCF7 epithelial cancer cells induce oxidative stress in adjacent cancer-associated fibroblasts, resulting in the autophagic/lysosomal degradation of stromal caveolin-1 (Cav-1). However, the detailed signaling mechanism(s) underlying this process remain largely unknown. Here, we show that hypoxia is sufficient to induce the autophagic degradation of Cav-1 in stromal fibroblasts, which is blocked by the lysosomal inhibitor chloroquine. Concomitant with the hypoxia-induced degradation of Cav-1, we see the upregulation of a number of well-established autophagy/mitophagy markers, namely LC3, ATG16L, BNIP3, BNIP3L, HIF-1α and NFκB. In addition, pharmacological activation of HIF-1α drives Cav-1 degradation, while pharmacological inactivation of HIF-1 prevents the downregulation of Cav-1. Similarly, pharmacological inactivation of NFκB-another inducer of autophagy-prevents Cav-1 degradation. Moreover, treatment with an inhibitor of glutathione synthase, namely BSO, which induces oxidative stress via depletion of the reduced glutathione pool, is sufficient to induce the autophagic degradation of Cav-1. Thus, it appears that oxidative stress mediated induction of HIF1- and NFκB-activation in fibroblasts drives the autophagic degradation of Cav-1. In direct support of this hypothesis, we show that MCF7 cancer cells activate HIF-1α- and NFκB-driven luciferase reporters in adjacent cancer-associated fibroblasts, via a paracrine mechanism. Consistent with these findings, acute knock-down of Cav-1 in stromal fibroblasts, using an siRNA approach, is indeed sufficient to induce autophagy, with the upregulation of both lysosomal and mitophagy markers. How does the loss of stromal Cav-1 and the induction of stromal autophagy affect cancer cell survival? Interestingly, we show that a loss of Cav-1 in stromal fibroblasts protects adjacent cancer cells against apoptotic cell death. Thus, autophagic cancer-associated fibroblasts, in addition to providing recycled nutrients for cancer cell metabolism, also play a protective role in preventing the death of adjacent epithelial cancer cells. We demonstrate that cancer-associated fibroblasts upregulate the expression of TIGAR in adjacent epithelial cancer cells, thereby conferring resistance to apoptosis and autophagy. Finally, the mammary fat pads derived from Cav-1 (-/-) null mice show a hypoxia-like response in vivo, with the upregulation of autophagy markers, such as LC3 and BNIP3L. Taken together, our results provide direct support for the "Autophagic Tumor Stroma Model of Cancer Metabolism," and explain the exceptional prognostic value of a loss of stromal Cav-1 in cancer patients. Thus, a loss of stromal fibroblast Cav-1 is a biomarker for chronic hypoxia, oxidative stress and autophagy in the tumor microenvironment, consistent with its ability to predict early tumor recurrence, lymph node metastasis and tamoxifen-resistance in human breast cancers. Our results imply that cancer patients lacking stromal Cav-1 should benefit from HIF-inhibitors, NFκB-inhibitors, anti-oxidant therapies, as well as autophagy/lysosomal inhibitors. These complementary targeted therapies could be administered either individually or in combination, to prevent the onset of autophagy in the tumor stromal compartment, which results in a "lethal" tumor microenvironment.

Recently, we proposed a new mechanism for understanding the Warburg effect in cancer metabolism. In this new paradigm, cancer-associated fibroblasts undergo aerobic glycolysis, and extrude lactate to “feed” adjacent cancer cells, which then drives mitochondrial biogenesis and oxidative mitochondrial metabolism in cancer cells. Thus, there is vectorial transport of energy-rich substrates from the fibroblastic tumor stroma to anabolic cancer cells. A prediction of this hypothesis is that cancer-associated fibroblasts should express MCT4, a mono-carboxylate transporter that has been implicated in lactate efflux from glycolytic muscle fibers and astrocytes in the brain. To address this issue, we co-cultured MCF7 breast cancer cells with normal fibroblasts. Interestingly, our results directly show that breast cancer cells specifically induce the expression of MCT4 in cancer-associated fibroblasts; MCF7 cells alone and fibroblasts alone, both failed to express MCT4. We also show that the expression of MCT4 in cancer-associated fibroblasts is due to oxidative stress, and can be prevented by pre-treatment with the anti-oxidant N-acetyl-cysteine. In contrast to our results with MCT4, we see that MCT1, a transporter involved in lactate uptake, is specifically upregulated in MCF7 breast cancer cells when co-cultured with fibroblasts. Virtually identical results were also obtained with primary human breast cancer samples. In human breast cancers, MCT4 selectively labels the tumor stroma, e.g., the cancer-associated fibroblast compartment. Conversely, MCT1 was selectively expressed in the epithelial cancer cells within the same tumors. Functionally, we show that overexpression of MCT4 in fibroblasts protects both MCF7 cancer cells and fibroblasts against cell death, under co-culture conditions. Thus, we provide the first evidence for the existence of a stromal-epithelial lactate shuttle in human tumors, analogous to the lactate shuttles that are essential for the normal physiological function of muscle tissue and brain. These data are consistent with the “reverse Warburg effect,” which states that cancer-associated fibroblasts undergo aerobic glycolysis, thereby producing lactate, which is utilized as a metabolic substrate by adjacent cancer cells. In this model, “energy transfer” or “metabolic-coupling” between the tumor stroma and epithelial cancer cells “fuels” tumor growth and metastasis, via oxidative mitochondrial metabolism in anabolic cancer cells. Most importantly, our current findings provide a new rationale and novel strategy for anti-cancer therapies, by employing MCT inhibitors.

Previously, we showed that high-energy metabolites (lactate and ketones) “fuel” tumor growth and experimental metastasis in an in vivo xenograft model, most likely by driving oxidative mitochondrial metabolism in breast cancer cells. To mechanistically understand how these metabolites affect tumor cell behavior, here we used genome-wide transcriptional profiling. Briefly, human breast cancer cells (MCF7) were cultured with lactate or ketones, and then subjected to transcriptional analysis (exon-array). Interestingly, our results show that treatment with these high-energy metabolites increases the transcriptional expression of gene profiles normally associated with “stemness,” including genes upregulated in embryonic stem (ES) cells. Similarly, we observe that lactate and ketones promote the growth of bonafide ES cells, providing functional validation. The lactate- and ketone-induced “gene signatures” were able to predict poor clinical outcome (including recurrence and metastasis) in a cohort of human breast cancer patients. Taken together, our results are consistent with the idea that lactate and ketone utilization in cancer cells promotes the “cancer stem cell” phenotype, resulting in significant decreases in patient survival. One possible mechanism by which these high-energy metabolites might induce stemness is by increasing the pool of Acetyl-CoA, leading to increased histone acetylation, and elevated gene expression. Thus, our results mechanistically imply that clinical outcome in breast cancer could simply be determined by epigenetics and energy metabolism, rather than by the accumulation of specific “classical” gene mutations. We also suggest that high-risk cancer patients (identified by the lactate/ketone gene signatures) could be treated with new therapeutics that target oxidative mitochondrial metabolism, such as the anti-oxidant and “mitochondrial poison” metformin. Finally, we propose that this new approach to personalized cancer medicine be termed “Metabolo-Genomics,” which incorporates features of both 1) cell metabolism and 2) gene transcriptional profiling. Importantly, this powerful new approach directly links cancer cell metabolism with clinical outcome, and new therapeutic strategies for inhibiting the TCA cycle and mitochondrial oxidative phosphorylation in cancer cells.