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.

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.

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.

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.