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.

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is a highly lethal and treatment-refractory cancer. Molecular stratification in pancreatic cancer remains rudimentary and does not yet inform clinical management or therapeutic development. Here, we construct a high-resolution molecular landscape of the cellular subtypes and spatial communities that compose PDAC using single-nucleus RNA sequencing and whole-transcriptome digital spatial profiling (DSP) of 43 primary PDAC tumor specimens that either received neoadjuvant therapy or were treatment naive. We uncovered recurrent expression programs across malignant cells and fibroblasts, including a newly identified neural-like progenitor malignant cell program that was enriched after chemotherapy and radiotherapy and associated with poor prognosis in independent cohorts. Integrating spatial and cellular profiles revealed three multicellular communities with distinct contributions from malignant, fibroblast and immune subtypes: classical, squamoid-basaloid and treatment enriched. Our refined molecular and cellular taxonomy can provide a framework for stratification in clinical trials and serve as a roadmap for therapeutic targeting of specific cellular phenotypes and multicellular interactions.

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.

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 The organization of immune cells in human tumors is not well understood. Immunogenic tumors harbor spatially-localized multicellular ‘immunity hubs’ defined by expression of the T cell-attracting chemokines CXCL10/CXCL11 and abundant T cells. Here, we examined immunity hubs in human pre-immunotherapy lung cancer specimens, and found that they were associated with beneficial responses to PD-1-blockade. Immunity hubs were enriched for many interferon-stimulated genes, T cells in multiple differentiation states, and CXCL9/10/11 + macrophages that preferentially interact with CD8 T cells. Critically, we discovered the stem-immunity hub, a subtype of immunity hub strongly associated with favorable PD-1-blockade outcomes, distinct from mature tertiary lymphoid structures, and enriched for stem-like TCF7+PD-1+ CD8 T cells and activated CCR7 + LAMP3 + dendritic cells, as well as chemokines that organize these cells. These results elucidate the spatial organization of the human intratumoral immune response and its relevance to patient immunotherapy outcomes.