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William Hwang
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Single-nucleus and spatial transcriptome profiling of pancreatic cancer identifies multicellular dynamics associated with neoadjuvant treatment

William Hwang et al.Jul 28, 2022
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.
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Single-nucleus and spatial transcriptomics of archival pancreatic cancer reveals multi-compartment reprogramming after neoadjuvant treatment

William Hwang et al.Aug 25, 2020
ABSTRACT Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) remains a treatment-refractory disease. Characterizing PDAC by mRNA profiling remains particularly challenging. Previously identified bulk expression subtypes were influenced by contaminating stroma and have not yet informed clinical management, whereas single cell RNA-seq (scRNA-seq) of fresh tumors under-represented key cell types. Here, we developed a robust single-nucleus RNA-seq (snRNA-seq) technique for frozen archival PDAC specimens and used it to study both untreated tumors and those that received neoadjuvant chemotherapy and radiotherapy (CRT). Gene expression programs learned across untreated malignant cell and fibroblast profiles uncovered a clinically relevant molecular taxonomy with improved prognostic stratification compared to prior classifications. Moreover, in the increasingly-adopted neoadjuvant treatment context, there was a depletion of classical-like phenotypes in malignant cells in favor of basal-like phenotypes associated with TNF-NFkB and interferon signaling as well as the presence of novel acinar and neuroendocrine classical-like states, which may be more resilient to cytotoxic treatment. Spatially-resolved transcriptomics revealed an association between malignant cells expressing these basal-like programs and higher immune infiltration with increased lymphocytic content, whereas those exhibiting classical-like programs were linked to sparser macrophage-predominant microniches, perhaps pointing to susceptibility to distinct therapeutic strategies. Our refined molecular taxonomy and spatial resolution can help advance precision oncology in PDAC through informative stratification in clinical trials and insights into differential therapeutic targeting leveraging the immune system.
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Therapy-associated remodeling of pancreatic cancer revealed by single-cell spatial transcriptomics and optimal transport analysis

Carina Shiau et al.Jun 29, 2023
In combination with cell intrinsic properties, interactions in the tumor microenvironment modulate therapeutic response. We leveraged high-plex single-cell spatial transcriptomics to dissect the remodeling of multicellular neighborhoods and cell-cell interactions in human pancreatic cancer associated with specific malignant subtypes and neoadjuvant chemotherapy/radiotherapy. We developed Spatially Constrained Optimal Transport Interaction Analysis (SCOTIA), an optimal transport model with a cost function that includes both spatial distance and ligand-receptor gene expression. Our results uncovered a marked change in ligand-receptor interactions between cancer-associated fibroblasts and malignant cells in response to treatment, which was supported by orthogonal datasets, including an ex vivo tumoroid co-culture system. Overall, this study demonstrates that characterization of the tumor microenvironment using high-plex single-cell spatial transcriptomics allows for identification of molecular interactions that may play a role in the emergence of chemoresistance and establishes a translational spatial biology paradigm that can be broadly applied to other malignancies, diseases, and treatments.