Various conventional chemotherapeutic drugs can block angiogenesis or even kill activated, dividing endothelial cells. Such effects may contribute to the antitumor efficacy of chemotherapy in vivo and may delay or prevent the acquisition of drug-resistance by cancer cells. We have implemented a treatment regimen that augments the potential antivascular effects of chemotherapy, that is devoid of obvious toxic side effects, and that obstructs the development of drug resistance by tumor cells. Xenografts of 2 independent neuroblastoma cell lines were subjected to either continuous treatment with low doses of vinblastine, a monoclonal neutralizing antibody (DC101) targeting the flk-1/KDR (type 2) receptor for VEGF, or both agents together. The rationale for this combination was that any antivascular effects of the low-dose chemotherapy would be selectively enhanced in cells of newly formed vessels when survival signals mediated by VEGF are blocked. Both DC101 and low-dose vinblastine treatment individually resulted in significant but transient xenograft regression, diminished tumor vascularity, and direct inhibition of angiogenesis. Remarkably, the combination therapy resulted in full and sustained regressions of large established tumors, without an ensuing increase in host toxicity or any signs of acquired drug resistance during the course of treatment, which lasted for >6 months.

We established trophoblast cell cultures with extended lifespans by introducing into first trimester human trophoblasts the gene encoding simian virus 40 large T antigen. The transfected trophoblasts were characterized according to their expression of various morphological and functional markers. Both parental (HTR-8) and transfected (HTR-8/SVneo) lines were morphologically similar and positive for cytokeratin, confirming their epithelial (trophoblastic) identity. Whereas the parental cells senesced after 12-14 passages, the transfectants have been in culture for over 32 passages. Human chorionic gonadotrophin was detected only in the HTR-8/SVneo cells and not in the parental cells. Both lines required at least 5% serum in order to sustain growth in vitro and responded to transforming growth factor-β (TGF-β) with reduced [3H]-thymidine incorporation in a dose-dependent manner. Treatment with TGF-β also resulted in decreased secretion of plasminogen activators (PAs) and reduced PA activity by both lines. Both cell lines secreted mostly 72-kDa type IV collagenase as determined by substrate gel zymography, but the level of secretion of this enzyme was not significantly affected by TGF-β in either line. Even though both lines exhibited similar in vitro invasive abilities, only the invasiveness of the parental cells was reduced by TGF-β. Neither parental or transfected cells were capable of growth in soft agar and no sign of tumor formation was evident more than 5 months after subcutaneous inoculation of the transfected cells into nude mice. These results indicate that apart from their ability to sustain prolonged growth in culture, the transfected HTR-8/SVneo cells share a number of phenotypic properties with the parental trophoblast cells. For this reason, these transfected trophoblasts may prove to be an important tool for the study of placental function and/or tumor progression.

Neoplastic transformation has been associated with a variety of structural changes in cell surface carbohydrates, most notably increased sialylation and β1-6-linked branching of complex-type asparagine (Asn)-linked oligosaccharides (that is, -GlcNAcβ1-6Manα1-6Manβ1-). However, little is known about the relevant glycoproteins or how these transformation-related changes in oligosaccharide biosynthesis may affect the malignant phenotype. Here it is reported that a cell surface glycoprotein, gp130, is a major target of increased β1-6-linked branching and that the expression of these oligosaccharide structures is directly related to the metastatic potential of the cells. Glycosylation mutants of a metastatic tumor cell line were selected that are deficient in both β1-6 GlcNAc transferase V activity and metastatic potential in situ. Moreover, induction of increased β1-6 branching in clones of a nonmetastatic murine mammary carcinoma correlated strongly with acquisition of metastatic potential. The results indicate that increased β1-6-linked branching of complex-type oligosaccharides on gp130 may be an important feature of tumor progression related to increased metastatic potential.

Activated EGF receptor (EGFR) plays an oncogenic role in several human malignancies. Although the intracellular effects of EGFR are well studied, its ability to induce and modulate tumor angiogenesis is less understood. We found previously that oncogenic EGFR can be shed from cancer cells as cargo of membrane microvesicles (MVs), which can interact with surfaces of other cells. Here we report that MVs produced by human cancer cells harboring activated EGFR (A431, A549, DLD-1) can be taken up by cultured endothelial cells, in which they elicit EGFR-dependent responses, including activation of MAPK and Akt pathways. These responses can be blocked by annexin V and its homodimer, Diannexin, both of which cloak phosphatidylserine residues on the surfaces of MVs. Interestingly, the intercellular EGFR transfer is also accompanied by the onset of VEGF expression in endothelial cells and by autocrine activation of its key signaling receptor (VEGF receptor-2). In A431 human tumor xenografts in mice, angiogenic endothelial cells stain positively for human EGFR and phospho-EGFR, while treatment with Diannexin leads to a reduction of tumor growth rate and microvascular density. Thus, we propose that oncogene-containing tumor cell-derived MVs could act as a unique form of angiogenesis-modulating stimuli and are capable of switching endothelial cells to act in an autocrine mode.

The contribution of bone marrow–derived circulating endothelial progenitor cells (CEPs) to tumor angiogenesis has been controversial, primarily because of their low numbers in blood vessels of untreated tumors. We show that treatment of tumor-bearing mice with vascular disrupting agents (VDAs) leads to an acute mobilization of CEPs, which home to the viable tumor rim that characteristically remains after such therapy. Disruption of this CEP spike by antiangiogenic drugs or by genetic manipulation resulted in marked reductions in tumor rim size and blood flow as well as enhanced VDA antitumor activity. These findings also provide a mechanistic rationale for the enhanced efficacy of VDAs when combined with antiangiogenic drugs.

For more than 50 years, a major goal of research in cancer therapeutics has been to develop universally effective agents that render cancer cells more sensitive to cytotoxic chemotherapy without substantially increasing toxicity to normal cells. The results of recent clinical trials indicate that certain antiangiogenic drugs may produce this long-sought effect. Here, I describe three distinct mechanisms that may help to explain the chemosensitizing activity of these drugs: normalizing tumor vasculature, preventing rapid tumor cell repopulation, and augmenting the antivascular effects of chemotherapy. I then discuss how these potential mechanisms might be exploited to maximize therapeutic efficacy.

Recent studies have demonstrated the importance of E-cadherin, a homophilic cell–cell adhesion molecule, in contact inhibition of growth of normal epithelial cells. Many tumor cells also maintain strong intercellular adhesion, and are growth-inhibited by cell– cell contact, especially when grown in three-dimensional culture. To determine if E-cadherin could mediate contact-dependent growth inhibition of nonadherent EMT/6 mouse mammary carcinoma cells that lack E-cadherin, we transfected these cells with an exogenous E-cadherin expression vector. E-cadherin expression in EMT/6 cells resulted in tighter adhesion of multicellular spheroids and a reduced proliferative fraction in three-dimensional culture. In addition to increased cell–cell adhesion, E-cadherin expression also resulted in dephosphorylation of the retinoblastoma protein, an increase in the level of the cyclin-dependent kinase inhibitor p27kip1 and a late reduction in cyclin D1 protein. Tightly adherent spheroids also showed increased levels of p27 bound to the cyclin E-cdk2 complex, and a reduction in cyclin E-cdk2 activity. Exposure to E-cadherin–neutralizing antibodies in three-dimensional culture simultaneously prevented adhesion and stimulated proliferation of E-cadherin transfectants as well as a panel of human colon, breast, and lung carcinoma cell lines that express functional E-cadherin. To test the importance of p27 in E-cadherin–dependent growth inhibition, we engineered E-cadherin–positive cells to express inducible p27. By forcing expression of p27 levels similar to those observed in aggregated cells, the stimulatory effect of E-cadherin–neutralizing antibodies on proliferation could be inhibited. This study demonstrates that E-cadherin, classically described as an invasion suppressor, is also a major growth suppressor, and its ability to inhibit proliferation involves upregulation of the cyclin-dependent kinase inhibitor p27.

Several hypotheses have been proposed to explain how antiangiogenic drugs enhance the treatment efficacy of cytotoxic chemotherapy, including impairing the ability of chemotherapy-responsive tumors to regrow after therapy. With respect to the latter, we show that certain chemotherapy drugs, e.g., paclitaxel, can rapidly induce proangiogenic bone marrow-derived circulating endothelial progenitor (CEP) mobilization and subsequent tumor homing, whereas others, e.g., gemcitabine, do not. Acute CEP mobilization was mediated, at least in part, by systemic induction of SDF-1α and could be prevented by various procedures such as treatment with anti-VEGFR2 blocking antibodies or paclitaxel treatment in CEP-deficient Id mutant mice, both of which resulted in enhanced antitumor effects mediated by paclitaxel, but not by gemcitabine.

Although standard anticancer chemotherapeutic drugs have been designed to inhibit the survival or growth of rapidly dividing tumor cells, it is possible to enhance the efficacy of such drugs by targeting the proliferating host endothelial cells (ECs) of the tumor vasculature. A theoretical advantage of this strategy lies in the possibility of circumventing, or significantly delaying, acquired drug resistance driven by the genetic instability of tumor cells. Here, we show that both vascular endothelial growth factor (VEGF) and basic fibroblast growth factor significantly reduce the pro-apoptotic potency of chemotherapy on both micro- and macrovascular ECs. This cytoprotection to drug toxicity was found to be phosphatidylinositol 3-kinase-dependent and could be recapitulated in the absence of VEGF by overexpressing the dominant-active form of the serine/threonine kinase protein kinase B/Akt. Downstream of phosphatidylinositol 3-kinase, we also show that survivin plays a pivotal role in VEGF-mediated EC protection by preserving the microtubule network. In this respect, its induction effectively protects ECs against chemotherapeutic damage, whereas overexpression of its dominant-interfering mutant (C84A) abrogates the protective effects of VEGF. Accordingly, the potency of VEGF as a chemoprotectant was more pronounced with drugs that interfere with microtubule dynamics than those that damage DNA. These studies implicate a role for survivin up-regulation as a novel mechanism of EC drug “resistance” and support the notion that angiogenic factors that induce the expression of survivin may act to shield tumor ECs from the apoptotic effects of chemotherapy. Thus, exploiting chemotherapeutic drugs as antiangiogenics is likely to be compromised by the high concentrations of proangiogenic survival/growth factors present in the tumor microenvironment; targeting EC survival pathways should improve the antiangiogenic efficacy of antineoplastic agents, particularly microtubule-inhibitor drugs.

The p53 tumor suppressor gene is inactivated in the majority of human cancers. Tumor cells deficient in p53 display a diminished rate of apoptosis under hypoxic conditions, a circumstance that might reduce their reliance on vascular supply, and hence their responsiveness to antiangiogenic therapy. Here, we report that mice bearing tumors derived from p53 −/− HCT116 human colorectal cancer cells were less responsive to antiangiogenic combination therapy than mice bearing isogenic p53 +/+ tumors. Thus, although antiangiogenic therapy targets genetically stable endothelial cells in the tumor vasculature, genetic alterations that decrease the vascular dependence of tumor cells can influence the therapeutic response of tumors to this therapy.