Abstract Background Tumors are complex tissues containing collections of phenotypically diverse malignant and nonmalignant cells. We know little of the mechanisms that govern heterogeneity of tumor cells nor of the role heterogeneity plays in overcoming stresses, such as adaptation to different microenvironments. Osteosarcoma is an ideal model for studying these mechanisms—it exhibits widespread inter- and intra-tumoral heterogeneity, predictable patterns of metastasis, and a lack of clear targetable driver mutations. Understanding the processes that facilitate adaptation to primary and metastatic microenvironments could inform the development of therapeutic targeting strategies. Results We investigated single-cell RNA-sequencing profiles of 47,977 cells obtained from cell line and patient-derived xenograft models as cells adapted to growth within primary bone and metastatic lung environments. Tumor cells maintained phenotypic heterogeneity as they responded to the selective pressures imposed during bone and lung colonization. Heterogenous subsets of cells defined by distinct transcriptional profiles were maintained within bone- and lung-colonizing tumors, despite high-level selection. One prominent heterogenous feature involving glucose metabolism was clearly validated using immunofluorescence staining. Finally, using concurrent lineage tracing and single-cell transcriptomics, we found that lung colonization enriches for multiple clones with distinct transcriptional profiles that are preserved across cellular generations. Conclusions Response to environmental stressors occurs through complex and dynamic phenotypic adaptations. Heterogeneity is maintained, even in conditions that enforce clonal selection. These findings likely reflect the influences of developmental processes promoting diversification of tumor cell subpopulations, which are retained, even in the face of selective pressures.

Abstract Osteosarcoma is an aggressive malignancy characterized by high genomic complexity. Identification of few recurrent mutations in protein coding genes suggests that somatic copy-number aberrations (SCNAs) are the genetic drivers of disease. Models around genomic instability conflict - it is unclear if osteosarcomas result from pervasive ongoing clonal evolution with continuous optimization of the fitness landscape or an early catastrophic event followed by stable maintenance of an abnormal genome. We address this question by investigating SCNAs in >12,000 tumor cells obtained from human osteosarcomas using single cell DNA sequencing, with a degree of precision and accuracy not possible when inferring single cell states using bulk sequencing. Using the CHISEL algorithm, we inferred allele- and haplotype-specific SCNAs from this whole-genome single cell DNA sequencing data. Surprisingly, despite extensive structural complexity, these tumors exhibit a high degree of cell-cell homogeneity with little sub-clonal diversification. Longitudinal analysis of patient samples obtained at distant therapeutic time points (diagnosis, relapse) demonstrated remarkable conservation of SCNA profiles over tumor evolution. Phylogenetic analysis suggests that the majority of SCNAs were acquired early in the oncogenic process, with relatively few structure-altering events arising in response to therapy or during adaptation to growth in metastatic tissues. These data further support the emerging hypothesis that early catastrophic events, rather than sustained genomic instability, give rise to structural complexity, which is then preserved over long periods of tumor developmental time. Significance Statement Chromosomally complex tumors are often described as genomically unstable. However, determining whether complexity arises from remote time-limited events that give rise to structural alterations or a progressive accumulation of structural events in persistently unstable tumors has implications for diagnosis, biomarker assessment, mechanisms of treatment resistance, and represents a conceptual advance in our understanding of intra-tumoral heterogeneity and tumor evolution.

Lung metastasis is responsible for nearly all deaths caused by osteosarcoma, the most common pediatric bone tumor. How malignant bone cells coerce the lung microenvironment to support metastatic growth is unclear. This study delineates how osteosarcoma cells educate the lung microenvironment during metastatic progression.Using single-cell transcriptomics (scRNA-seq), we characterized genome- and tissue-wide molecular changes induced within lung tissues by disseminated osteosarcoma cells in both immunocompetent murine models of metastasis and patient samples. We confirmed transcriptomic findings at the protein level and determined spatial relationships with multi-parameter immunofluorescence. We evaluated the ability of nintedanib to impair metastatic colonization and prevent osteosarcoma-induced education of the lung microenvironment in both immunocompetent murine osteosarcoma and immunodeficient human xenograft models.Osteosarcoma cells induced acute alveolar epithelial injury upon lung dissemination. scRNA-seq demonstrated that the surrounding lung stroma adopts a chronic, non-resolving wound-healing phenotype similar to that seen in other models of lung injury. Accordingly, metastasis-associated lung demonstrated marked fibrosis, likely due to the accumulation of pathogenic, pro-fibrotic, partially-differentiated epithelial intermediates. Inhibition of fibrotic pathways with nintedanib prevented metastatic progression in multiple murine and human xenograft models.Our work demonstrates that osteosarcoma cells co-opt fibrosis to promote metastatic outgrowth. When harmonized with data from adult epithelial cancers, our results support a generalized model wherein aberrant mesenchymal-epithelial interactions are critical for promoting lung metastasis. Adult epithelial carcinomas induce fibrotic pathways in normal lung fibroblasts, whereas osteosarcoma, a pediatric mesenchymal tumor, exhibits fibrotic reprogramming in response to the aberrant wound-healing behaviors of an otherwise normal lung epithelium, which are induced by tumor cell interactions.Therapies that block metastasis have the potential to save the majority of lives lost due to solid tumors. Disseminated tumor cells must educate the foreign, inhospitable microenvironments they encounter within secondary organs to facilitate metastatic colonization. Our study elucidated that disseminated osteosarcoma cells survive within the lung by co-opting and amplifying the lung's endogenous wound healing response program. More broadly, our results support a model wherein mesenchymal-epithelial cooperation is a key driver of lung metastasis. Osteosarcoma, a pediatric mesenchymal tumor, undergoes lung epithelial induced fibrotic activation while also transforming normal lung epithelial cells towards a fibrosis promoting phenotype. Conversely, adult epithelial carcinomas activate fibrotic signaling in normal lung mesenchymal fibroblasts. Our data implicates fibrosis and abnormal wound healing as key drivers of lung metastasis across multiple tumor types that can be targeted therapeutically to disrupt metastasis progression.

Abstract We previously reported that the DNA alkylator and transcriptional-blocking chemotherapeutic agent trabectedin enhances oncolytic herpes simplex viroimmunotherapy in human sarcoma xenograft models, though the mechanism remained to be elucidated. Here we report trabectedin disrupts the intrinsic cellular anti-viral response which increases viral transcript spread throughout the human tumor cells. We also extended our synergy findings to syngeneic murine sarcoma models, which are poorly susceptible to virus infection. In the absence of robust virus replication, we found trabectedin enhanced viroimmunotherapy efficacy by reducing immunosuppressive macrophages and stimulating granzyme expression in infiltrating T and NK cells to cause immune-mediated tumor regressions. Thus, trabectedin enhances both the direct virus-mediated killing of tumor cells and the viral-induced activation of cytotoxic effector lymphocytes to cause tumor regressions across models. Our data provide a strong rationale for clinical translation as both mechanisms should be simultaneously active in human patients.

ABSTRACT Low grade gliomas (LGG) account for about two-thirds of all glioma diagnoses in adolescents and young adults (AYA) and malignant progression of these patients leads to dismal outcomes. Recent studies have shown the importance of the dynamic tumor microenvironment in high-grade gliomas (HGG ), yet its role is still poorly understood in low-grade glioma malignant progression. Here, we investigated the heterogeneity of the immune microenvironment using a platelet-derived growth factor ( PDGF )-driven RCAS (replication-competent ASLV long terminal repeat with a splice acceptor) glioma model that recapitulates the malignant progression of low to high-grade glioma in humans and also provides a model system to characterize immune cell trafficking and evolution. To illuminate changes in the immune cell landscape during tumor progression, we performed single-cell RNA sequencing on immune cells isolated from animals bearing no tumor (NT) , LGG and HGG, with a particular focus on the myeloid cell compartment, which is known to mediate glioma immunosuppression. LGGs demonstrated significantly increased infiltrating T cells, CD4 T cells, CD8 T cells, B cells, and natural killer cells in the tumor microenvironment, whereas HGGs significantly abrogated this infiltration. Our study identified two distinct macrophage clusters in the tumor microenvironment; one cluster appeared to be bone marrow-derived while another was defined by overexpression of Trem2, a marker of tumor associated macrophages. Our data demonstrates that these two distinct macrophage clusters show an immune-activated phenotype ( Stat1, Tnf, Cxcl9 and Cxcl10 ) in LGG which evolves to an immunosuppressive state ( Lgals3, Apoc1 and Id2 ) in HGG that restricts T cell recruitment and activation. We identified CD74 and macrophage migration inhibition factor ( MIF ) as potential targets for these distinct macrophage populations. Interestingly, these results were mirrored by our analysis of the TCGA dataset, which demonstrated a statistically significant association between CD74 overexpression and decreased overall survival in AYA patients with grade II gliomas. Targeting immunosuppressive myeloid cells and intra-tumoral macrophages within this therapeutic window may ameliorate mechanisms associated with immunosuppression before and during malignant progression.