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.

Abstract Spatial transcriptomics allows for the analysis of a cell’s gene expression in the context of its physical location. With spatial transcriptomics data, investigators often want to find genes of interest whose spatial patterns are biologically relevant in multiple samples. However, due to confounding factors in spatial data that produce noise across samples, datasets, and technologies, it is challenging to visualize genes and their spatial patterns across samples. We present Crescendo, an integration algorithm that performs correction directly on gene expression counts to reduce variation from technical confounders. We first apply Crescendo to a 3-sample spatial transcriptomics mouse brain dataset to show how Crescendo enables accurate visualization of gene expression across these spatial transcriptomic samples. We then demonstrate Crescendo’s scalability by integrating a 16-sample immuno-oncology dataset of 7 million cells. Finally, we show that Crescendo can perform cross-technology integration by merging a colorectal cancer (CRC) scRNA-seq dataset with two CRC spatial transcriptomics samples. By transferring information between technologies, Crescendo can impute poorly expressed genes to improve detection of gene-gene colocalization, such as ligand-receptor interactions.

ABSTRACT Here, we leveraged a large neoadjuvant PD-1 blockade trial in patients with hepatocellular carcinoma (HCC) to search for correlates of response to immune checkpoint blockade (ICB) within T cell-rich tumors. We show that ICB response correlated with the clonal expansion of intratumoral CXCL13 + CH25H + IL-21 + PD-1 + CD4 T helper cells (CXCL13 + Th) and Granzyme K + PD-1 + effector-like CD8 T cells, whereas terminally exhausted CD39 hi TOX hi PD-1 hi CD8 T cells dominated in non-responders. Strikingly, most T cell receptor (TCR) clones that expanded post-treatment were found in pre-treatment biopsies. Notably, PD-1 + TCF-1 + progenitor-like CD8 T cells were present in tumors of responders and non-responders and shared clones mainly with effector-like cells in responders or terminally differentiated cells in non-responders, suggesting that local CD8 T cell differentiation occurs upon ICB. We found that these progenitor CD8 T cells interact with CXCL13 + Th cells within cellular triads around dendritic cells enriched in maturation and regulatory molecules, or “mregDC”. Receptor-ligand analysis revealed unique interactions within these triads that may promote the differentiation of progenitor CD8 T cells into effector-like cells upon ICB. These results suggest that discrete intratumoral niches that include mregDC and CXCL13 + Th cells control the differentiation of tumor-specific progenitor CD8 T cell clones in patients treated with ICB.