For the initiation of metastasis, there must be a small population of cancer stem cells at the secondary site and, to maintain this population and allow proliferation, infiltrating cancer cells must induce the expression of stromal periostin. Experiments in a mouse mammary tumour model that spontaneously metastasizes to the lungs show that metastatic colonization first requires the presence of a small population of infiltrating cancer stem cells. These cells induce the expression of the extracellular protein periostin, which supports the growth of metastases in the resulting niche environment by enhancing Wnt signalling in the tumour cells. Blockade of periostin function prevents metastasis, suggesting that there may be therapeutic potential in targeting the metastatic niche at an early stage of metastasis when the tumour cells are likely to be particularly dependent on niche signals. Metastatic growth in distant organs is the major cause of cancer mortality. The development of metastasis is a multistage process with several rate-limiting steps1. Although dissemination of tumour cells seems to be an early and frequent event2, the successful initiation of metastatic growth, a process termed ‘metastatic colonization’, is inefficient for many cancer types and is accomplished only by a minority of cancer cells that reach distant sites3,4. Prevalent target sites are characteristic of many tumour entities5, suggesting that inadequate support by distant tissues contributes to the inefficiency of the metastatic process. Here we show that a small population of cancer stem cells is critical for metastatic colonization, that is, the initial expansion of cancer cells at the secondary site, and that stromal niche signals are crucial to this expansion process. We find that periostin (POSTN), a component of the extracellular matrix, is expressed by fibroblasts in the normal tissue and in the stroma of the primary tumour. Infiltrating tumour cells need to induce stromal POSTN expression in the secondary target organ (in this case lung) to initiate colonization. POSTN is required to allow cancer stem cell maintenance, and blocking its function prevents metastasis. POSTN recruits Wnt ligands and thereby increases Wnt signalling in cancer stem cells. We suggest that the education of stromal cells by infiltrating tumour cells is an important step in metastatic colonization and that preventing de novo niche formation may be a novel strategy for the treatment of metastatic disease.

ABSTRACT Tissues are organized in niches where cell types interact to implement specific functions. Spatial -omics technologies allow to decode the molecular features and spatial interactions that determine such niches. However, computational approaches to process and interpret spatial molecular profiles are challenged by the scale and diversity of this data. Here, we present CellCharter, an algorithmic framework for the identification, characterization, and comparison of cellular niches from heterogeneous spatial transcriptomics and proteomics datasets comprising multiple samples. CellCharter outperformed existing methods, identified biologically meaningful cellular niches in different contexts, and discovered spatial cancer cell states, characterized by cell-intrinsic features and spatial interactions between tumor and immune cells. In non-small cell lung cancer, CellCharter revealed a cellular niche composed of neutrophils and tumor cells expressing markers of hypoxia and cell migration. Expression of these markers determined a spatial gradient associated with cancer cell state transition and neutrophil infiltration. Moreover, CellCharter showed that similar compositions of immune cell types can exhibit remarkably different spatial organizations in different tumors, highlighting the need for exploring spatial cell interactions to decipher intratumor heterogeneity. Overall, CellCharter is a flexible and scalable framework to explore and compare the spatial organization of normal and malignant tissues.

The efficacy of anti-cancer therapies depends on the genomic composition of the tumor, its microenvironment, spatial organization, and intra-tumor heterogeneity. B cell lymphomas are a heterogeneous group of tumors emerging from B cells at different stages of differentiation and exhibiting tumor-specific interactions with the tumor microenvironment. Thus, to measure response to therapy in lymphoma, it is critical to preserve the tumor composition and functional interactions among immune cells. Here, we developed a platform to maintain small fragments of human lymphoma tissue in culture for several days, and use them to test response to therapies. We collected 25 patient samples representative of different lymphoma subtypes, and established ex vivo tissue fragments that retained histological, cellular, and molecular characteristics of the original tissue, here referred to as lymphomoids. Using lymphomoids, we tested sensitivity to several clinically approved small molecule inhibitors in parallel and examined tissue remodeling upon treatment. Importantly, when this information was available, we showed that sensitivity to therapy observed in lymphomoids was consistent with patient's response in the clinic. Lymphomoids are an innovative tool to assess treatment efficacy in clinically relevant contexts and could be used to uncover novel aspects of lymphoma biology.

The efficacy of anti-cancer therapies depends on the genomic composition of the tumor, its microenvironment, spatial organization, and intra-tumor heterogeneity. B-cell lymphomas are a heterogeneous group of tumors emerging from B-cells at different stages of differentiation and exhibiting tumor-specific interactions with the tumor microenvironment. Thus, the effect of drug treatments can be influenced by the tumor composition and functional interactions among immune cells. Here, we develop a platform to maintain small fragments of human lymphoma tissue in culture for several days, and use them to test response to small molecules. We collect 27 patient samples representative of different lymphoma subtypes, and establish ex vivo tissue fragments that retain histological, cellular, and molecular characteristics of the original tissue, here referred to as lymphomoids. Using lymphomoids, we test sensitivity to several clinically approved drugs in parallel and examine tissue remodeling upon treatment. Moreover, when this information is available, we show that the effect of the inhibitors observed in lymphomoids is consistent with the patients' response in the clinic. Thus, lymphomoids represent an innovative ex vivo model to assess the effect of anti-cancer therapies while preserving the tissue structure and its components. Choosing the most effective anti-cancer therapy is difficult due to the high degree of tumour cell and tumour microenvironment heterogeneity. Here, the authors develop a platform for the generation of patient-derived B-cell lymphoma models (termed lymphomoids) which maintain the lymphoid tissue architecture, to enable drug screening.