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Circulating Tumor Cells Exhibit Metastatic Tropism and Reveal Brain Metastasis Drivers

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Circulating Tumor Cells Exhibit Metastatic Tropism and Reveal Brain Metastasis Drivers

Remi Klotz 1 2Amal Thomas # 3Teng Teng # 1 2Sung Min Han 1 2Oihana Iriondo 1 2Lin Li 1 2Sara Restrepo-Vassalli 4Alan Wang 1 2Negeen Izadian 1 2 5Matthew MacKay 1 2Byoung-San Moon 1 6Kevin J Liu 1 2Sathish Kumar Ganesan 1 2Grace Lee 1 2Diane S Kang 1 2Charlotte S Walmsley 7Christopher Pinto 7Michael F Press 2 8Wange Lu 1 6Janice Lu 2Dejan Juric 7Aditya Bardia 7James Hicks 4Bodour Salhia 2 9Frank Attenello 10Andrew D Smith 3Min Yu 11 2Affiliations expand

Free PMC article

Abstract

Hematogenous metastasis is initiated by a subset of circulating tumor cells (CTC) shed from primary or metastatic tumors into the blood circulation. Thus, CTCs provide a unique patient biopsy resource to decipher the cellular subpopulations that initiate metastasis and their molecular properties. However, one crucial question is whether CTCs derived and expanded ex vivo from patients recapitulate human metastatic disease in an animal model. Here, we show that CTC lines established from patients with breast cancer are capable of generating metastases in mice with a pattern recapitulating most major organs from corresponding patients. Genome-wide sequencing analyses of metastatic variants identified semaphorin 4D as a regulator of tumor cell transmigration through the blood-brain barrier and MYC as a crucial regulator for the adaptation of disseminated tumor cells to the activated brain microenvironment. These data provide the direct experimental evidence of the promising role of CTCs as a prognostic factor for site-specific metastasis. SIGNIFICANCE: Interests abound in gaining new knowledge of the physiopathology of brain metastasis. In a direct metastatic tropism analysis, we demonstrated that ex vivo-cultured CTCs from 4 patients with breast cancer showed organotropism, revealing molecular features that allow a subset of CTCs to enter and grow in the brain.This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6954305/

Cited by 7 articles

  • Tumor stem cells fuse with monocytes to form highly invasive tumor-hybrid cells.Aguirre LA, Montalbán-Hernández K, Avendaño-Ortiz J, Marín E, Lozano R, Toledano V, Sánchez-Maroto L, Terrón V, Valentín J, Pulido E, Casalvilla JC, Rubio C, Diekhorst L, Laso-García F, Del Fresno C, Collazo-Lorduy A, Jiménez-Munarriz B, Gómez-Campelo P, Llanos-González E, Fernández-Velasco M, Rodríguez-Antolín C, Pérez de Diego R, Cantero-Cid R, Hernádez-Jimenez E, Álvarez E, Rosas R, Dies López-Ayllón B, de Castro J, Wculek SK, Cubillos-Zapata C, Ibáñez de Cáceres I, Díaz-Agero P, Gutiérrez Fernández M, Paz de Miguel M, Sancho D, Schulte L, Perona R, Belda-Iniesta C, Boscá L, López-Collazo E.Oncoimmunology. 2020 Jun 16;9(1):1773204. doi: 10.1080/2162402X.2020.1773204.PMID: 32923132 Free PMC article.
  • Limited Environmental Serine and Glycine Confer Brain Metastasis Sensitivity to PHGDH Inhibition.Ngo B, Kim E, Osorio-Vasquez V, Doll S, Bustraan S, Liang RJ, Luengo A, Davidson SM, Ali A, Ferraro GB, Fischer GM, Eskandari R, Kang DS, Ni J, Plasger A, Rajasekhar VK, Kastenhuber ER, Bacha S, Sriram RK, Stein BD, Bakhoum SF, Snuderl M, Cotzia P, Healey JH, Mainolfi N, Suri V, Friedman A, Manfredi M, Sabatini DM, Jones DR, Yu M, Zhao JJ, Jain RK, Keshari KR, Davies MA, Heiden MGV, Hernando E, Mann M, Cantley LC, Pacold ME.Cancer Discov. 2020 Sep;10(9):1352-1373. doi: 10.1158/2159-8290.CD-19-1228. Epub 2020 Jun 22.PMID: 32571778
  • Genes that Mediate Metastasis across the Blood-Brain Barrier.Fares J, Kanojia D, Rashidi A, Ulasov I, Lesniak MS.Trends Cancer. 2020 Aug;6(8):660-676. doi: 10.1016/j.trecan.2020.04.007. Epub 2020 May 13.PMID: 32417182 Review.
  • Tracking cancer progression: from circulating tumor cells to metastasis.Castro-Giner F, Aceto N.Genome Med. 2020 Mar 19;12(1):31. doi: 10.1186/s13073-020-00728-3.PMID: 32192534 Free PMC article. Review.
  • Heterogeneity of Circulating Tumor Cells in Breast Cancer: Identifying Metastatic Seeds.Menyailo ME, Tretyakova MS, Denisov EV.Int J Mol Sci. 2020 Mar 2;21(5):1696. doi: 10.3390/ijms21051696.PMID: 32121639 Free PMC article. Review.