Brain metastases are associated with a very poor prognosis and frequently occur in patients suffering from breast or colorectal cancer. During the process of metastatic colonization, successfully disseminated cancer cells settle in the brain and progress into macro-metastases. In this context, we recently summarized significant morphological differences at the macro-metastases/organ parenchyma interface (MMPI) with a strong influence on prognosis in several studies. While displacing metastases usually displayed a more favorable prognosis, infiltrative metastases had an unfavorable disease progression.
Since diffuse and epithelial infiltrative cells differed in their pathophysiology, the aim of this study was to investigate the potentially responsible mechanisms underlying this difference. In our lab, we previously established a variety of brain metastasis mouse models that allow the detailed characterization of the MMPI on a morphological and molecular basis. Interestingly, diffuse and epithelial infiltrative models showed differences in their innate expression levels of the cell adhesion receptor E-cadherin across species and entities. However, we hypothesized that E-cadherin is not only a marker for the type of infiltration, but also plays a critical functional role.
Thus, we performed specific opposing genetic modifications of E-cadherin in the corresponding cell lines of our brain metastasis mouse models representing the different infiltrative MMPI patterns to investigate the impact on the infiltration pattern and the metastatic microenvironment. Although both genetic approaches provoked profound phenotypic changes, they had no influence on the original characteristic of the cell. Nevertheless, the gain of E-cadherin decreased migratory and invasive capacity in vitro, while the artificial loss made cells more invasive across entities. This was reflected in the animal model with less aggressive metastases and prolonged survival after the overexpression of E-cadherin and increased aggressiveness and shortened survival in the knockdown cohorts. The switch of the infiltration pattern due to the E-cadherin modification in the metastatic outgrowth models, from diffuse to epithelial-like infiltrative after the gain of E-cadherin and the other way around after its loss, further resulted in an altered immune reaction of the metastatic microenvironment. In general, diffuse infiltrative patterns were associated with an increased immune response at the MMPI. Furthermore, we could establish a gene expression signature that clearly differentiated diffuse and epithelial infiltrative mouse models based on their metastatic cell character and even had a prognostic impact in murine and human metastases.
In conclusion, these data emphasize the essential role of the MMPI during metastatic colonization of the brain and might contribute to MMPI pattern-based therapeutic decisions for cancer patients in the future. The identified gene targets could represent a prognostic tool to classify the outcome of patients with metastases based on the analysis of their tumor gene expression signature.

Hirnmetastasen sind mit einer schlechten Prognose assoziiert und treten häufig in Patienten mit Brust- oder Darmkrebs auf. Während des Prozesses der metastatischen Kolonisation siedeln sich erfolgreich disseminierte Krebszellen im Gehirn an und entwickeln sich zu Makrometastasen. In diesem Kontext haben wir kürzlich deutliche morphologische Unterschiede am Makrometastasen/Organparenchym Interface (MMPI) zusammengefasst, die in zahlreichen Studien einen starken Einfluss auf die Prognose hatten. Während verdrängend wachsende Metastasen normalerweise eine bessere Prognose zeigten, hatten infiltrierende Metastasen einen schlechteren Krankheitsverlauf zur Folge.
Da diffus und epithelial infiltrierende Metastasen sich in ihrer Pathophysiologie unterscheiden, war es das Ziel dieser Arbeit, potentiell verantwortliche zugrundeliegende Mechanismen zu untersuchen. In unserem Labor haben wir bereits früher ein breites Spektrum an Hirnmetastasierungsmausmodellen etabliert, welche eine detaillierte Charakterisierung des MMPI auf morphologischer und molekularer Basis erlauben. Interessanterweise zeigten diffus und epithelial infiltrierende Modelle spezies- und entitätsübergreifende Unterschiede in ihrer natürlichen Expression des Zelladhesionsmoleküls E-Cadherin. Daher lautete unsere Hypothese, dass E-Cadherin nicht nur ein Marker für den Infiltrationstyp ist, sondern auch eine kritische funktionelle Rolle spielt.
Dementsprechend haben wir die Expression von E-Cadherin in den jeweiligen Zelllinien unserer Hirnmetastasierungsmausmodelle, welche die verschiedenen infiltrativen MMPI Muster repräsentieren, gezielt modifiziert um die Auswirkungen auf das Infiltrationsmuster und die metastatische Mikroumgebung zu untersuchen. Obwohl beide genetischen Ansätze erhebliche phänotypische Veränderungen zur Folge hatten, blieb der ursprüngliche Zellcharakter davon weitestgehend unberührt. Nichtsdestotrotz verringerte die Zunahme an E-Cadherin die migratorische und invasive Kapazität in vitro, wohingegen der künstliche Verlust die Zellen entitätsübergreifend invasiver machte. Das spiegelte sich auch im Tiermodell wider mit weniger aggressiven Metastasen und verlängertem Überleben nach der Überexpression von E-Cadherin sowie einer gesteigerten Aggressivität und verkürztem Überleben in den Knockdown Kohorten. Der Wechsel des Infiltrationsmusters aufgrund der E-Cadherin Modifizierung in den metastatischen Wachstumsmodellen, von diffus zu epithelial-ähnlich nach der Zunahme von E-Cadherin und andersherum nach seinem Verlust, resultierte außerdem in einer veränderten Immunreaktion der metastatischen Mikroumgebung. Im Allgemeinen gingen diffus infiltrative Muster mit einer gesteigerten Immunantwort am MMPI einher. Des Weiteren konnten wir eine Gensignatur etablieren, die diffus und epithelial infiltrative Mausmodelle klar anhand ihres metastatischen Zellcharakters unterschied und sogar einen prognostischen Effekt in murinen und humanen Metastasen hatte.
Zusammenfassend ist zu sagen, dass diese Daten die essentielle Rolle des MMPI während der metastatischen Kolonisation des Gehirns unterstreichen und in der Zukunft zu MMPI Muster-basierten therapeutischen Entscheidungen bei Krebspatienten beitragen könnten. Die identifizierten Gentargets könnten ein prognostisches Werkzeug darstellen um den klinischen Verlauf von Patienten mit Metastasen basierend auf einer Analyse ihrer Tumor-Genexpressionssignatur vorherzusagen.