Summary

 Single-cell technologies have described heterogeneity across tissues, but the spatial distribution and forces that drive single-cell phenotypes have not been well defined. Combining single-cell RNA and protein analytics in studying the role of stromal cancer-associated fibroblasts (CAFs) in modulating heterogeneity in pancreatic cancer (pancreatic ductal adenocarcinoma [PDAC]) model systems, we have identified significant single-cell population shifts toward invasive epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) and proliferative (PRO) phenotypes linked with mitogen-activated protein kinase (MAPK) and signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) signaling. Using high-content digital imaging of RNA in situ hybridization in 195 PDAC tumors, we quantified these EMT and PRO subpopulations in 319,626 individual cancer cells that can be classified within the context of distinct tumor gland "units." Tumor gland typing provided an additional layer of intratumoral heterogeneity that was associated with differences in stromal abundance and clinical outcomes. This demonstrates the impact of the stroma in shaping tumor architecture by altering inherent patterns of tumor glands in human PDAC.

Immune responses to cancer are highly variable, with mismatch repair-deficient (MMRd) tumors exhibiting more anti-tumor immunity than mismatch repair-proficient (MMRp) tumors. To understand the rules governing these varied responses, we transcriptionally profiled 371,223 cells from colorectal tumors and adjacent normal tissues of 28 MMRp and 34 MMRd individuals. Analysis of 88 cell subsets and their 204 associated gene expression programs revealed extensive transcriptional and spatial remodeling across tumors. To discover hubs of interacting malignant and immune cells, we identified expression programs in different cell types that co-varied across tumors from affected individuals and used spatial profiling to localize coordinated programs. We discovered a myeloid cell-attracting hub at the tumor-luminal interface associated with tissue damage and an MMRd-enriched immune hub within the tumor, with activated T cells together with malignant and myeloid cells expressing T cell-attracting chemokines. By identifying interacting cellular programs, we reveal the logic underlying spatially organized immune-malignant cell networks.

The relationship of SARS-CoV-2 pulmonary infection and severity of disease is not fully understood. Here we show analysis of autopsy specimens from 24 patients who succumbed to SARS-CoV-2 infection using a combination of different RNA and protein analytical platforms to characterize inter-patient and intra-patient heterogeneity of pulmonary virus infection. There is a spectrum of high and low virus cases associated with duration of disease. High viral cases have high activation of interferon pathway genes and a predominant M1-like macrophage infiltrate. Low viral cases are more heterogeneous likely reflecting inherent patient differences in the evolution of host response, but there is consistent indication of pulmonary epithelial cell recovery based on napsin A immunohistochemistry and RNA expression of surfactant and mucin genes. Using a digital spatial profiling platform, we find the virus corresponds to distinct spatial expression of interferon response genes demonstrating the intra-pulmonary heterogeneity of SARS-CoV-2 infection.

Abstract Therapeutic blockade of co-inhibitory immune receptors PD-1 and CTLA-4 has revolutionized oncology, but treatments are limited by immune-related adverse events (IRAEs). IRAE Colitis (irColitis) is the most common, severe IRAE affecting up to 25% of patients on dual PD-1 and CTLA-4 inhibition. Here, we present a systems biology approach to define the cell populations and transcriptional programs driving irColitis. We collected paired colon mucosal biopsy and blood specimens from 13 patients with irColitis, 8 healthy individuals, and 8 controls on immune checkpoint inhibitors (ICIs), and analyzed them with single-cell/nuclei RNA sequencing with paired TCR and BCR sequencing, multispectral fluorescence microscopy, and secreted factor analysis (Luminex). We profiled 299,407 cells from tissue and blood and identified 105 cell subsets that revealed significant tissue remodeling in active disease. Colon mucosal immune populations were dominated by tissue-resident memory (T RM ) ITGAE -expressing CD8 T cells representing a phenotypic spectrum defined by gene programs associated with T cell activation, cytotoxicity, cycling, and exhaustion. CD8 T RM and effector CD4 T cells upregulated type 17 immune programs ( IL17A, IL26 ) and Tfh-like programs ( CXCL13, PDCD1 ). We also identified for the first time an increased abundance of two KLRG1 and ITGB2 -expressing CD8 T cell populations with circulatory cell markers, including a GZMK T RM -like population and a CX3CR1 population that is predicted to be intravascular. These two populations were more abundant in irColitis patients treated with dual PD-1/CTLA-4 inhibition than those receiving anti-PD-1 monotherapy. They also had significant TCR sharing with PBMCs, suggesting a circulatory origin. In irColitis we observed significant epithelial turnover marked by fewer LGR5 -expressing stem cells, more transit amplifying cells, and upregulation of apoptotic and DNA-sensing programs such as the cGAS-STING pathway. Mature epithelial cells with top crypt genes upregulated interferon-stimulated pathways, CD274 (PD-L1), anti-microbial genes, and MHC-class II genes, and downregulated aquaporin and solute-carrier gene families, likely contributing to epithelial cell damage and absorptive dysfunction. Mesenchymal remodeling was defined by increased endothelial cells, both in irColitis patients and specifically in patients on dual PD-1/CTLA-4 blockade. Cell-cell communication analysis identified putative receptor-ligand pairs that recruit CD8 T cells from blood to inflamed endothelium and positive feedback loops such as the CXCR3 chemokine system that retain cells in tissue. This study highlights the cellular and molecular drivers underlying irColitis and provides new insights into the role of CTLA-4 and PD-1 signaling in maintaining CD8 T RM homeostasis, regulating CD8 T recruitment from blood, and promoting epithelial-immune crosstalk critical to gastrointestinal immune tolerance and intestinal barrier function.

Improved biomarkers are needed for early cancer detection, risk stratification, treatment selection, and monitoring treatment response. While proteins can be useful blood-based biomarkers, many have limited sensitivity or specificity for these applications. Long INterspersed Element-1 (LINE-1, L1) open reading frame 1 protein (ORF1p) is a transposable element protein overexpressed in carcinomas and high-risk precursors during carcinogenesis with negligible detectable expression in corresponding normal tissues, suggesting ORF1p could be a highly specific cancer biomarker. To explore the potential of ORF1p as a blood-based biomarker, we engineered ultrasensitive digital immunoassays that detect mid-attomolar (10-17 M) ORF1p concentrations in patient plasma samples across multiple cancers with high specificity. Plasma ORF1p shows promise for early detection of ovarian cancer, improves diagnostic performance in a multi-analyte panel, and provides early therapeutic response monitoring in gastric and esophageal cancers. Together, these observations nominate ORF1p as a multi-cancer biomarker with potential utility for disease detection and monitoring.

Abstract Immune responses to cancer are highly variable, with mismatch repair-deficient (MMRd) tumors exhibiting more anti-tumor immunity than mismatch repair-proficient (MMRp) tumors. To understand the rules governing these varied responses, we transcriptionally profiled 371,223 cells from colorectal tumors and adjacent normal tissues of 28 MMRp and 34 MMRd patients. Analysis of 88 cell subsets and their 204 associated gene expression programs revealed extensive transcriptional and spatial remodeling across tumors. To discover hubs of interacting malignant and immune cells, we identified expression programs in different cell types that co-varied across patient tumors and used spatial profiling to localize coordinated programs. We discovered a myeloid cell-attracting hub at the tumor-luminal interface associated with tissue damage, and an MMRd-enriched immune hub within the tumor, with activated T cells together with malignant and myeloid cells expressing T-cell-attracting chemokines. By identifying interacting cellular programs, we thus reveal the logic underlying spatially organized immune-malignant cell networks.

ABSTRACT Cancer therapy often results in heterogeneous responses in different metastatic lesions in the same patient. Inter- and intra-tumor heterogeneity in proteomic signaling within the various tumor compartments and its impact on therapy are not well characterized due to the limited sensitivity of single cell proteomic approaches. To overcome this barrier, we applied single cell mass cytometry with a customized 29-antibody panel [against cell states, receptor tyrosine kinases (RTK) and phosphoinositide 3-kinase/mammalian target of rapamycin (PI3K/mTOR)-, mitogen-activated protein kinase (MAPK)-, and cytokine-signaling] to PTEN-deleted orthotopic prostate cancer xenograft models to measure the evolution of kinase activities in different tumor compartments during metastasis and upon drug treatment. Compared with primary tumors and circulating tumor cells (CTCs), bone metastases but not lung and liver metastases exhibited elevated PI3K/mTOR signaling and RTKs including c-Met protein, which, when suppressed, impaired tumor growth in the bone. Intra-tumoral heterogeneity within tumor compartments also arises from highly proliferative EpCAM high epithelial cells with increased PI3K and mTOR kinase activities co-existing with poorly proliferating EpCAM low mesenchymal populations with reduced kinase activities, findings recapitulated in epithelial and mesenchymal CTC populations in metastatic prostate and breast cancer patients. Increased kinase activity in EpCAM high cells rendered them more sensitive to PI3K/mTOR inhibition and drug resistant EpCAM low populations with reduced kinase activity emerged over time. Taken together, single cell proteomics identified microenvironment- and cell state-dependent activation of kinase networks creating heterogeneity and differential drug sensitivity among and within tumor populations across different sites, defining a new paradigm of drug responses to kinase inhibitors.

Immune checkpoint inhibitors (ICIs) are widely used anti-cancer therapies that can cause morbid and potentially fatal immune-related adverse events (irAEs). ICI-related myocarditis (irMyocarditis) is uncommon but has the highest mortality of any irAE. The pathogenesis of irMyocarditis and its relationship to anti-tumor immunity remain poorly understood. We sought to define immune responses in heart, tumor, and blood during irMyocarditis and identify biomarkers of clinical severity by leveraging single-cell (sc)RNA-seq coupled with T cell receptor (TCR) sequencing, microscopy, and proteomics analysis of 28 irMyocarditis patients and 23 controls. Our analysis of 284,360 cells from heart and blood specimens identified cytotoxic T cells, inflammatory macrophages, conventional dendritic cells (cDCs), and fibroblasts enriched in irMyocarditis heart tissue. Additionally, potentially targetable, pro-inflammatory transcriptional programs were upregulated across multiple cell types. TCR clones enriched in heart and paired tumor tissue were largely non-overlapping, suggesting distinct T cell responses within these tissues. We also identify the presence of cardiac-expanded TCRs in a circulating, cycling CD8 T cell population as a novel peripheral biomarker of fatality. Collectively, these findings highlight critical biology driving irMyocarditis and putative biomarkers for therapeutic intervention.