Abstract Intrahepatic cholangiocarcinoma (ICC) has limited therapeutic options and a dismal prognosis. Anti-PD-L1 immunotherapy combined with gemcitabine/cisplatin chemotherapy has recently shown efficacy in biliary tract cancers, but responses are seen only in a minority of patients. Here, we studied the roles of anti-PD1 and anti-CTLA-4 immune checkpoint blockade (ICB) therapies when combined with gemcitabine/cisplatin and the mechanisms of treatment benefit in orthotopic murine ICC models. We evaluated the effects of the combined treatments on ICC vasculature and immune microenvironment using flow cytometry analysis, immunofluorescence, imaging mass cytometry, RNA-sequencing, qPCR, and in vivo T-cell depletion and CD8 + T-cell transfer using orthotopic ICC models and transgenic mice. Combining gemcitabine/cisplatin with anti-PD1 and anti-CTLA-4 antibodies led to substantial survival benefits and reduction of morbidity in two aggressive ICC models, which were ICB-resistant. Gemcitabine/cisplatin treatment increased the frequency of tumor-infiltrating lymphocytes and normalized the ICC vessels, and when combined with dual CTLA-4/PD1 blockade, increased the number of activated CD8 + Cxcr3 + IFN-γ + T-cells. Depletion of CD8 + but not CD4 + T-cells compromised efficacy. Conversely, CD8 + T-cell transfer from Cxcr3 −/− versus Cxcr3 +/+ mice into Rag1 −/− immunodeficient mice restored the anti-tumor effect of gemcitabine/cisplatin/ICB combination therapy. Finally, rational scheduling of the ICBs (anti-CTLA-4 “priming”) with chemotherapy and anti-PD1 therapy achieved equivalent efficacy with continuous dosing while reducing overall drug exposure. In summary, gemcitabine/cisplatin chemotherapy normalizes vessel structure, increases activated T-cell infiltration, and enhances anti-PD1/CTLA-4 immunotherapy efficacy in aggressive murine ICC. This combination approach should be clinically tested to overcome resistance to current therapies in ICC patients. One Sentence Summary Immune microenvironment reprogramming by chemotherapy and priming using CTLA-4 blockade render ICCs responsive to anti-PD-1 immunotherapy.

This study introduces a new imaging, spatial transcriptomics (ST), and single-cell RNA-sequencing integration pipeline to characterize neoplastic cell state transitions during tumorigenesis. We applied a semi-supervised analysis pipeline to examine premalignant pancreatic intraepithelial neoplasias (PanINs) that can develop into pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC). Their strict diagnosis on formalin-fixed and paraffin-embedded (FFPE) samples limited the single-cell characterization of human PanINs within their microenvironment. We leverage whole transcriptome FFPE ST to enable the study of a rare cohort of matched low-grade (LG) and high-grade (HG) PanIN lesions to track progression and map cellular phenotypes relative to single-cell PDAC datasets. We demonstrate that cancer-associated fibroblasts (CAFs), including antigen-presenting CAFs, are located close to PanINs. We further observed a transition from CAF-related inflammatory signaling to cellular proliferation during PanIN progression. We validate these findings with single-cell high-dimensional imaging proteomics and transcriptomics technologies. Altogether, our semi-supervised learning framework for spatial multi-omics has broad applicability across cancer types to decipher the spatiotemporal dynamics of carcinogenesis.

Neoadjuvant immunotherapy is thought to produce long-term remissions through induction of antitumor immune responses before removal of the primary tumor. Tertiary lymphoid structures (TLS), germinal center-like structures that can arise within tumors, may contribute to the establishment of immunological memory in this setting, but understanding of their role remains limited. Here, we investigated the contribution of TLS to antitumor immunity in hepatocellular carcinoma (HCC) treated with neoadjuvant immunotherapy. We found that neoadjuvant immunotherapy induced the formation of TLS, which were associated with superior pathologic response, improved relapse free survival, and expansion of the intratumoral T and B cell repertoire. While TLS in viable tumor displayed a highly active mature morphology, in areas of tumor regression we identified an involuted TLS morphology, which was characterized by dispersion of the B cell follicle and persistence of a T cell zone enriched for ongoing antigen presentation and T cell-mature dendritic cell interactions. Involuted TLS showed increased expression of T cell memory markers and expansion of CD8+ cytotoxic and tissue resident memory clonotypes. Collectively, these data reveal the circumstances of TLS dissolution and suggest a functional role for late-stage TLS as sites of T cell memory formation after elimination of viable tumor.

Enrichment of tumor-associated macrophages (TAMΦs) in the tumor microenvironment correlates with worse clinical outcomes in triple-negative breast cancer (TNBC) patients, prompting the development of therapies to inhibit TAMΦ infiltration. However, the lackluster efficacy of CCL2-based chemotaxis blockade in clinical trials suggests that a new understanding of monocyte/macrophage infiltration may be necessary. Here we demonstrate that random migration, and not only chemotaxis, drives macrophage tumor infiltration. We identified tumor- associated monocytes (TAMos) that display a dramatically enhanced migration capability, induced rapidly by the tumor microenvironment, that drives effective tumor infiltration, in contrast to low-motility differentiated macrophages. TAMo, not TAMΦ, promotes cancer cell proliferation through activation of the MAPK pathway. IL-6 secreted both by cancer cells and TAMo themselves enhances TAMo migration by increasing dendritic protrusion dynamics and myosin- based contractility via the JAK2/STAT3 signaling pathway. Independent from CCL2 mediated chemotaxis, IL-6 driven enhanced migration and pro-proliferative effect of TAMo were validated in a syngeneic TNBC mouse model. Depletion of IL-6 in cancer cells significantly attenuated monocyte infiltration and reversed TAMo-induced cancer cell proliferation. This work reveals the critical role random migration plays in monocyte driven TAMΦ enrichment in a tumor and pinpoints IL-6 as a potential therapeutic target in combination with CCL2 to ameliorate current strategies against TAMΦ infiltration.

SUMMARY Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is a highly lethal cancer for which few effective therapies exist. Immunotherapies specifically are ineffective in pancreatic cancer, in part due to its unique stromal and immune microenvironment. Pancreatic intraepithelial neoplasia, or PanIN, is the main precursor lesion to PDAC. Recently it was discovered that PanINs are remarkably abundant in the grossly normal pancreas, suggesting that the vast majority will never progress to cancer. Here, through construction of 48 samples of cm 3 -sized human pancreas tissue, we profiled the immune microenvironment of 1,476 PanINs in 3D and at single-cell resolution to better understand the early evolution of the pancreatic tumor microenvironment and to determine how inflammation may play a role in cancer progression. We found that bulk pancreatic inflammation strongly correlates to PanIN cell fraction. We found that the immune response around PanINs is highly heterogeneous, with distinct immune hotspots and cold spots that appear and disappear in a span of tens of microns. Immune hotspots generally mark locations of higher grade of dysplasia or locations near acinar atrophy. The immune composition at these hotspots is dominated by naïve, cytotoxic, and regulatory T cells, cancer associated fibroblasts, and tumor associated macrophages, with little similarity to the immune composition around less-inflamed PanINs. By mapping FOXP3+ cells in 3D, we found that regulatory T cells are present at higher density in larger PanIN lesions compared to smaller PanINs, suggesting that the early initiation of PanINs may not exhibit an immunosuppressive response. This analysis demonstrates that while PanINs are common in the pancreases of most individuals, inflammation may play a pivotal role, both at the bulk and the microscopic scale, in demarcating regions of significance in cancer progression.

Abstract The development of metastasis, responsible for the majority of cancer-related fatalities, is the most dangerous aspect of breast cancer, the predominant malignancy affecting women. We previously identified specific cancer cell populations responsible for metastatic events which are cytokeratin-14 (CK14) and E-cadherin positive in luminal tumors, and E-cadherin and vimentin positive in triple-negative tumors. Since cancer cells evolve within a complex ecosystem comprised of immune cells and stromal cells, we sought to decipher the spatial interactions of these aggressive cancer cell populations within the tumor microenvironment (TME). We used imaging mass cytometry to detect 36 proteins in tumor microarrays containing paired primary and metastatic lesions from luminal or triple-negative breast cancers (TNBC), resulting in a dataset of 1,477,337 annotated cells. Focusing on metastasis-initiating cell populations, we observed close proximity to specific fibroblast and macrophage subtypes, a relationship maintained between primary and metastatic tumors. Notably, high CK14 in luminal cancer cells and high vimentin in TNBC cells correlated with close proximity to specific macrophage subtypes (CD163 int CD206 int PDL1 int HLA-DR + or PDL1 high ARG1 high ). Our in-depth spatial analysis elucidates that metastasis-initiating cancer cells exhibit with distinct cell populations within the TME, implicating the role of these cell-cell interactions in promoting metastasis.

Abstract The addition of anti-VEGF antibody treatment to immune checkpoint blockade (ICB) has increased the efficacy of immunotherapy in advanced hepatocellular carcinoma (HCC). Despite an initial promise, adding multitargeted kinase inhibitors of VEGFR with ICB has failed to increase survival in HCC. To reveal the mechanisms underlying treatment failure, we studied the effects of cabozantinib/ICB using orthotopic murine HCC models with or without liver damage. We monitored tumor growth and liver function, recorded survival outcomes, and performed immune profiling studies for intra-tumoral and surrounding liver. Cabozantinib/ICB treatment led to tumor regression and significantly improved survival in mice with normal livers. However, consistent with the clinical findings, combination therapy failed to show survival benefits despite similar tumor control when tested in the same models but in mice with liver fibrosis. Moreover, preclinical and clinical data converged, showing that activating immune responses by cabozantinib/ICB treatment induced hepatoxicity. Immune profiling revealed that combination therapy effectively reprogrammed the tumor immune microenvironment and increased NK cell infiltration and activation in the damaged liver tissue. Surprisingly, systemic depletion of NK reduced hepatotoxicity elicited by the combination therapy without compromising its anti-cancer effect, and significantly enhanced the survival benefit even in mice with HCC and underlying liver fibrosis. These findings demonstrate that preventing NK activation allowed for maintaining a favorable therapeutic ratio when combining ICB with cabozantinib in advanced HCC models.