Epidemiological studies indicate that chemotherapy can increase the chance of metastasis in a subset patients,  but the underlying mechanism remains unclear because of a lack of relevant experimental models. The goal of  this  proposal  is  to  elucidate  the  impact  of  chemotherapy  on  metastatic  relapse  with  a  tissue-­engineered  metastasis  model  that  can  capture  metastatic niche  evolution  with  a  high  level  of  molecular  and  cellular  detail.  Inspired  by  the  recent  discovery  of  the  pre-­metastatic  niche  (PMN)  in  major  metastatic  organs,  we  have  developed  a  bone  marrow  stromal  cell–seeded  microfabricated  porous  hydrogel  scaffold  that  creates  a  richly  vascularized proinflammatory microenvironment when it is subdermally implanted in a mouse. This implantable  PMN  model  has been  shown to attract and  support  the engraftment and  growth  of  circulating tumor  cells and  can  be  serially  implanted  in  syngeneic  naive  mice  for  long-­term  studies.  The  semitransparent  materials  of  the  implant  are  compatible  with  quantitative  imaging  analysis  via  multiple  imaging  modalities  including  multiplex  immunohistostaining, CLARITY-­based optical sectioning of entire scaffolds, and intravital imaging via a skinfold  window chamber. Our  central  hypothesis  is  that  tissue  inflammation  and  remodeling  induced  by  chemotherapy  activates  dormant  disseminated  tumor  cells  and  causes  them  to  migrate  and  form  in  situ  clusters  as  a  function  of  cell  number.  Forming  clusters  could  allow  the  cells  to  overcome  microenvironmental  regulation  and  regain  an  aggressive  phenotype.  We propose three specific  aims:  In  Aim  1,  we  will  generate  subcutaneous and  hepatic  PMN models in a MMTV-­PyMT female mouse and demonstrate the long-­term evolution of metastatic niche by  serially transplanting early metastatic niche established in primary mice to secondary syngeneic FVB mice. For  this  purpose,  we  will  generate  MMTV-­Luc2-­PyMT  mice  that  allow  non-­invasive  long-­term  bioluminescent  monitoring  of  metastatic  relapse.  In Aim 2,  we  will  use  the  techniques  verified  in  Aim 1  to observe  the  effect of  chemotherapy  with  doxorubicin  on  the  metastatic  process  in  serially  implanted  bone  marrow  and  liver  PMN  models.  In  Aim 3,  we  will  apply the established  algorithm to  measure  potency to determine  if adjuvant  therapy  with  anti-­inflammatory  (anakinra)  or  anti-­macrophage  (clodronate)  drugs  reduces  doxorubicin-­induced  metastatic relapse and will look at the effect of adjuvant timing. The proposed research is significant because it  has the  potential  to  facilitate  the development of better  therapeutic  regimens that  can eliminate active  residual  tumor cells without activating dormant disseminated tumor cells, and this would significantly improve long-­term  metastasis prevention.

The  clinical  benefit  of  chemotherapy  has  recently  been  cast  in  doubt  because  it  has  the  potential  to  activate  dormant  disseminated  tumor  cells.  Long-­term  functional  assessment  of  therapy-­induced  tissue  inflammation,  remodeling and associated metastatic tumor cell biology is essential to develop better therapeutic regimens. The  proposed tissue engineered implantable metastasis model represents a unique opportunity to capture the critical  events  during  dormant-­to-­active  transition  of  disseminated  tumor  cells  while  leveraging  accumulated  rich  resources of mouse models for cancer research.