Summary

 Lung cancer is closely associated with chronic inflammation, but the causes of inflammation and the specific immune mediators have not been fully elucidated. The lung is a mucosal tissue colonized by a diverse bacterial community, and pulmonary infections commonly present in lung cancer patients are linked to clinical outcomes. Here, we provide evidence that local microbiota provoke inflammation associated with lung adenocarcinoma by activating lung-resident γδ T cells. Germ-free or antibiotic-treated mice were significantly protected from lung cancer development induced by Kras mutation and p53 loss. Mechanistically, commensal bacteria stimulated Myd88-dependent IL-1β and IL-23 production from myeloid cells, inducing proliferation and activation of Vγ6⁺Vδ1⁺ γδ T cells that produced IL-17 and other effector molecules to promote inflammation and tumor cell proliferation. Our findings clearly link local microbiota-immune crosstalk to lung tumor development and thereby define key cellular and molecular mediators that may serve as effective targets in lung cancer intervention.

Abstract Profiling cellular heterogeneity in formalin-fixed paraffin-embedded (FFPE) tissues is key to characterizing clinical specimens for biomarkers, therapeutic targets, and drug responses. Here, we optimize methods for isolating intact nuclei and single nucleus RNA-Seq from FFPE tissues in the mouse brain, and demonstrate a pilot application to a human clinical specimen of lung adenocarcinoma. Our method opens the way to broad applications of snRNA-Seq to archival tissues, including clinical samples.

Summary Determining the clinical significance of CT scan-detected subsolid pulmonary nodules requires an understanding of the molecular and cellular features that may foreshadow disease progression. We studied the alterations at the transcriptome level in both immune and non-immune cells, utilizing single-cell RNA sequencing, to compare the microenvironment of subsolid, solid, and non-involved lung tissues from surgical resection specimens. This evaluation of early spectrum lung adenocarcinoma reveals a significant decrease in the cytolytic activities of natural killer and natural killer T cells, accompanied by a reduction of effector T cells as well as an increase of CD4 + regulatory T cells in subsolid lesions. Characterization of non-immune cells revealed that both cancer-associated alveolar type 2 cells and fibroblasts contribute to the deregulation of the extracellular matrix, potentially affecting immune infiltration in subsolid lesions through ligand-receptor interactions. These findings suggest a decrement of immune surveillance in subsolid lesions.

Abstract Understanding the dynamic pathogenesis and treatment response in pulmonary diseases requires probing the lung at cellular resolution in real-time. Despite recent progress in intravital imaging, optical imaging of the lung during active respiration and circulation has remained challenging. Here, we introduce the crystal ribcage: a transparent ribcage that (i) allows truly multiscale optical imaging of the lung in health and disease from whole-organ to single cell, (ii) enables the modulation of lung biophysics and immunity through intravascular, intrapulmonary, intraparenchymal, and optogenetic interventions, and (iii) preserves the 3-D architecture, air-liquid interface, cellular diversity, and respiratory-circulatory functions of the lung. Utilizing these unprecedented capabilities on murine models of primary and metastatic lung tumors, respiratory infection, pulmonary fibrosis, emphysema, and acute lung injury we probed how disease progression remodels the respiratory-circulatory functions at the single alveolus and capillary levels. In cancer, we identified the earliest stage of tumorigenesis that compromises alveolar and capillary functions, a key state with consequences on tumor progression and treatment response. In pneumonia, we mapped mutual links between the recruited immune cells and the alveolar-capillary functions. We found that neutrophil migration is strongly and reversibly responsive to vascular pressure with implications for understanding of how lung physiology, altered by disease and anatomical location, affects immune cell activities. The crystal ribcage and its broad applications presented here will facilitate further studies of real-time remodeling of the alveoli and capillaries during pathogenesis of nearly any pulmonary disease, leading to the identification of new targets for treatment strategies.

Abstract Repetitive head impacts (RHI) sustained from contact sports are the largest risk factor for chronic traumatic encephalopathy (CTE). Currently, CTE can only be diagnosed after death and the multicellular cascade of events that trigger initial hyperphosphorylated tau (p-tau) deposition remain unclear. Further, the symptoms endorsed by young individuals with early disease are not fully explained by the extent of p-tau deposition, severely hampering development of therapeutic interventions. Here, we show that RHI exposure associates with a multicellular response in young individuals (<51 years old) prior to the onset of CTE p-tau pathology that correlates with number of years of RHI exposure. Leveraging single nucleus RNA sequencing of tissue from 8 control, 9 RHI-exposed, and 11 low stage CTE individuals, we identify SPP1+ inflammatory microglia, angiogenic and inflamed endothelial cell profiles, reactive astrocytes, and altered synaptic gene expression in excitatory and inhibitory neurons in all individuals with exposure to RHI. Surprisingly, we also observe a significant loss of cortical sulcus layer 2/3 neurons in contact sport athletes compared to controls independent of p-tau pathology. These results provide robust evidence that multiple years of RHI exposure is sufficient to induce lasting cellular alterations that may underlie p-tau deposition and help explain the early clinical symptoms observed in young former contact sport athletes. Furthermore, these data identify specific cellular responses to repetitive head impacts that may direct future identification of diagnostic and therapeutic strategies for CTE.

ABSTRACT Microscopic vascular invasion (VI) is predictive of recurrence and benefit from lobectomy in stage I lung adenocarcinoma (LUAD) but is difficult to assess in resection specimens and cannot be accurately predicted prior to surgery. Thus, new biomarkers are needed to identify this aggressive subset of stage I LUAD tumors. To assess molecular and microenvironment features associated with angioinvasive LUAD we profiled 162 resected stage I tumors with and without VI by RNA-seq and explored spatial patterns of gene expression in a subset of 15 samples by high-resolution spatial transcriptomics (stRNA-seq). Despite the small size of invaded blood vessels, we identified a gene expression signature of VI from the bulk RNA-seq discovery cohort (n=103) and found that it was associated with VI foci, desmoplastic stroma, and high-grade patterns in our stRNA-seq data. We observed a stronger association with high-grade patterns from VI + compared with VI - tumors. Using the discovery cohort, we developed a transcriptomic predictor of VI, that in an independent validation cohort (n=60) was associated with VI (AUROC=0.86; p=5.42×10 -6 ) and predictive of recurrence-free survival (HR=1.98; p=0.024), even in VI - LUAD (HR=2.76; p=0.003). To determine our VI predictor’s robustness to intra-tumor heterogeneity we used RNA-seq data from multi-region sampling of stage I LUAD cases in TRACERx, where the predictor scores showed high correlation (R=0.87, p<2.2×10 -16 ) between two randomly sampled regions of the same tumor. Our study suggests that VI-associated gene expression changes are detectable beyond the site of intravasation and can be used to predict the presence of VI. This may enable the prediction of angioinvasive LUAD from biopsy specimens, allowing for more tailored medical and surgical management of stage I LUAD.

Abstract While immunotherapy has shown efficacy in lung adenocarcinoma (LUAD) patients, many respond only partially or not at all. One limitation in improving outcomes is the lack of a complete understanding of immune checkpoint regulation. Here, we investigated a possible link between an environmental chemical receptor implicated in lung cancer and immune regulation, ( the aryl hydrocarbon receptor/AhR), a known but counterintuitive mediator of immunosuppression (IFNγ), and regulation of two immune checkpoints (PD-L1 and IDO). AhR gene-edited LUAD cell lines, a syngeneic LUAD mouse model, bulk- and scRNA sequencing of LUADs and tumor-infiltrating leukocytes were used to map out a signaling pathway leading from IFNγ through the AhR to JAK/STAT, PD-L1, IDO, and tumor-mediated immunosuppression. The data demonstrate that: 1) IFNγ activation of the JAK/STAT pathway leading to PD-L1 and IDO1 upregulation is mediated by the AhR in murine and human LUAD cells, 2) AhR-driven IDO1 induction results in the production of Kynurenine (Kyn), an AhR ligand, which likely mediates an AhR➔IDO1➔Kyn➔AhR amplification loop, 3) transplantation of AhR-knockout LUAD cells results in long-term tumor immunity in most recipients. 4) The 23% of AhR-knockout tumors that do grow do so at a much slower pace than controls and exhibit higher densities of CD8 + T cells expressing markers of immunocompetence, increased activity, and increased cell-cell communication. The data definitively link the AhR to IFNγ-induced JAK/STAT pathway and immune checkpoint-mediated immunosuppression and support the targeting of the AhR in the context of LUAD.

Lymphatic muscle cells (LMCs) are indispensable for lymphatic vessel contraction and their aberrant recruitment or absence is associated with both primary and secondary lymphedema. Despite their critical role in lymphatic vessel function, the transcriptomic and developmental basis that confer the unique contractile properties to LMCs are largely undefined. In this study, we employed single-cell RNA sequencing (scRNAseq), lineage tracing and

Pulmonary TB that develops in immunocompetent adult humans is responsible for approximately 85% of the disease burden and is central for Mtb transmission. Most humans contain Mtb infection within primary granulomatous lesions, but in certain immunocompetent humans, containment fails, leading to hematogenous spread and active pulmonary disease with the formation of necrotic lesions and cavities that enable Mtb transmission via aerosols. To reveal lung-specific microenvironments conducive for Mtb survival and replication despite systemic immunity, we use fluorescence multiplex immunohistochemistry and spatial transcriptomic analyses of heterogenous TB lesions that uniquely form in the lungs of immunocompetent but TB-susceptible B6.Sst1S mice after hematogenous spread from the primary lesion. Initially, these secondary lung lesions manifested local adoptive immunity featuring tertiary lymphoid follicles similar to resistant B6 mice and contained primarily non-replicating bacilli. Following these early events, however, the B6.Sst1S mice uniquely demonstrate expansion of myeloid cell populations with the appearance of alternatively activated macrophages, dissolution of lymphoid follicles, and the accumulation of de-differentiated lung epithelial cells. These processes led to bronchogenic expansion, broncho-occlusion, and necrosuppurative pneumonia closely resembling advanced pulmonary tuberculosis in humans. To determine whether lung parenchymal cells or lung oxygenation were necessary for the pulmonary TB progression, we implanted lung and spleen fragments subcutaneously prior to the infection. The lung implants uniquely displayed the formation of the characteristic organized granulomas with necrosis and Mtb replication that paralleled TB progression in native lungs, demonstrating that the cellular composition of inflamed lung tissue, not oxygenation, is a critical determinant of pulmonary TB progression. Our data demonstrate that deleterious bi-directional interactions of aberrantly activated macrophages with the inflammation-injured lung resident cells determine lung vulnerability to virulent Mtb in immunocompetent hosts. Because these mechanisms enable Mtb transmission among humans via aerosols, they are likely evolutionary conserved and, therefore, represent appealing targets for host-directed TB therapies.

Macrophages are critical for maintenance and repair of mucosal tissues. While functionally distinct subtypes of macrophage are known to have important roles in injury response and repair in the lungs, little is known about macrophages in the proximal conducting airways. Single-cell RNA sequencing and flow cytometry demonstrated murine tracheal macrophages are largely monocyte-derived and are phenotypically distinct from lung macrophages at homeostasis. Following sterile airway injury, monocyte-derived macrophages are recruited to the trachea and activate a pro-regenerative phenotype associated with wound healing. Animals lacking the chemokine receptor CCR2 have reduced numbers of circulating monocytes and tracheal macrophages, deficient pro-regenerative macrophage activation and defective epithelial repair. Together, these studies indicate that recruitment and activation of monocyte-derived tracheal macrophages is CCR2-dependent and is required for normal airway epithelial regeneration.