Abstract Patient-derived organoids (PDOs) can model personalized therapy responses, however current screening technologies cannot reveal drug response mechanisms or study how tumor microenvironment cells alter therapeutic performance. To address this, we developed a highly-multiplexed mass cytometry platform to measure post translational modification (PTM) signaling in >2,500 colorectal cancer (CRC) PDOs and cancer-associated fibroblasts (CAFs) in response to clinical therapies at single-cell resolution. To compare patient- and microenvironment-specific drug responses in thousands of single-cell datasets, we developed Trellis — a highly-scalable, hierarchical tree-based treatment effect analysis method. Trellis single-cell screening revealed that on-target cell-cycle blockage and DNA-damage drug effects are common, even in chemorefractory PDOs. However, drug-induced apoptosis is patient-specific. We found drug-induced apoptosis does not correlate with genotype or clinical staging but does align with cell-intrinsic PTM signaling in PDOs. CAFs protect chemosensitive PDOs by shifting cancer cells into a slow-cycling cell-state and CAF chemoprotection can be reversed by inhibiting YAP. Highlights >2,500 single-cell PTM signaling, DNA-damage, cell-cycle, and apoptosis responses from drug-treated PDOs and CAFs. Trellis: hierarchical tree-based treatment effect method for single-cell screening analysis. PDOs have patient-specific drug responses that align with cell-intrinsic PTM signaling states. CAFs chemoprotect PDOs by altering PDO cell-state via YAP signaling.

Cancer cells are regulated by oncogenic mutations and microenvironmental signals, yet these processes are often studied separately. To functionally map how cell-intrinsic and cell-extrinsic cues co-regulate cell-fate in colorectal cancer (CRC), we performed a systematic single-cell analysis of 1,071 colonic organoid cultures regulated by 1) CRC oncogenic mutations, 2) microenvironmental fibroblasts and macrophages, 3) stromal ligands, and 4) signalling inhibitors. Multiplexed single-cell analysis revealed a stepwise epithelial differentiation landscape dictated by combinations of oncogenes and stromal ligands, spanning from fibroblast-induced Clusterin (CLU) + revival colonic stem cells (revCSC) to oncogene-driven LRIG1 + hyper-proliferative CSC (proCSC). The transition from revCSC to proCSC is regulated by decreasing WNT3A and TGF-β-driven YAP signalling and increasing KRAS G12D or stromal EGF/Epiregulin-activated MAPK/PI3K flux. We find APC-loss and KRAS G12D collaboratively limit access to revCSC and disrupt stromal-epithelial communication – trapping epithelia in the proCSC fate. These results reveal that oncogenic mutations dominate homeostatic differentiation by obstructing cell-extrinsic regulation of cell-fate plasticity. Highlights 1,071-condition single-cell transition map of colonic stem cell polarisation regulated by oncogenic and mircoenvironmental cues. Fibroblasts polarise WT colonic epithelia towards Clu + revCSC via TGF-β1 and YAP signalling. APC-loss and KRAS G12D drive a Birc5 + , Lrig1 + , and Ephb2 + proCSC fate via MAPK and PI3K. Oncogenic mutations disrupt stromal regulation of epithelial plasticity, trapping cells in the proCSC fate.

T cell–based cancer immunotherapy has typically relied on membrane-bound cytotoxicity enhancers such as chimeric antigen receptors expressed in autologous αβ T cells. These approaches are limited by tonic signaling of synthetic constructs and costs associated with manufacturing. γδ T cells are an emerging alternative for cellular therapy, having innate antitumor activity, potent antibody-dependent cellular cytotoxicity, and minimal alloreactivity. We present an immunotherapeutic platform technology built around the innate properties of the Vγ9Vδ2 T cell, harnessing specific characteristics of this cell type and offering an allocompatible cellular therapy that recruits bystander immunity. We engineered γδ T cells to secrete synthetic tumor-targeting opsonins in the form of an scFv-Fc fusion protein and a mitogenic IL-15Rα–IL-15 fusion protein (stIL15). Using GD2 as a model antigen, we show that GD2-specific opsonin-secreting Vγ9Vδ2 T cells (stIL15-OPS-γδ T cells) have enhanced cytotoxicity and promote bystander activity of other lymphoid and myeloid cells. Secretion of stIL-15 abrogated the need for exogenous cytokine supplementation and further mediated activation of bystander natural killer cells. Compared with unmodified γδ T cells, stIL15-OPS-γδ T cells exhibited superior in vivo control of subcutaneous tumors and persistence in the blood. Moreover, stIL15-OPS-γδ T cells were efficacious against patient-derived osteosarcomas in animal models and in vitro, where efficacy could be boosted with the addition of zoledronic acid. Together, the data identify stIL15-OPS-γδ T cells as a candidate allogeneic cell therapy platform combining direct cytolysis with bystander activation to promote tumor control.

Abstract Pathological activation of the PI3K/AKT pathway is among the most frequent defects in human cancer and is also the cause of rare overgrowth disorders. Yet, there is currently no systematic understanding of the quantitative flow of information within PI3K/AKT signaling and how it is perturbed by disease-causing mutations. Here, we develop scalable, single-cell approaches for systematic analyses of signal processing within the PI3K pathway, enabling precise calculations of its information transfer for different growth factors. Using genetically-engineered human cell models with allele dose-dependent expression of PIK3CA H1047R , we show that this oncogene is not a simple, constitutive pathway activator but a context-dependent modulator of extracellular signal transfer. PIK3CA H1047R reduces information transmission downstream of IGF1 while selectively enhancing EGF-induced signaling and transcriptional responses. This leads to a gross reduction in signaling specificity, akin to “blurred” signal perception. The associated increase in signaling heterogeneity promotes phenotypic diversity in a human cervical cancer cell line model and in human induced pluripotent stem cells. Collectively, these findings and the accompanying methodological advances lay the foundations for a systematic mapping of the quantitative mechanisms of PI3K/AKT-dependent signal processing and phenotypic control in health and disease. One-sentence summary Single-cell signaling and information theoretic analyses reveal that oncogenic PI3K/AKT activation leads to a gross reduction in signaling specificity, context-dependent EGF response amplification as well as increased phenotypic heterogeneity.

Abstract T cell-based cancer immunotherapy has typically relied on membrane-bound cytotoxicity enhancers such as chimeric antigen receptors expressed in autologous αβT cells. These approaches are limited by tonic signalling of synthetic constructs and costs associated with manufacture of bespoke patient products. γδT cells are an emerging alternative chassis for cellular therapy, possessing innate anti-tumour activity, potent antibody-dependent cytotoxicity (ADCC) and minimal alloreactivity. We present an immunotherapeutic platform technology built around the Vγ9Vδ2 γδT cell chassis, harnessing specific characteristics of this cell type and offering an allo-compatible means of delivering cellular therapy that recruits bystander immunity. We engineered γδT cells to secrete synthetic opsonins and stabilized IL15 (stIL15). Using GD2 as a model antigen we show how opsonin-secreting Vγ9Vδ2 (OPS-γδ) have enhanced cytotoxicity and also confer this benefit on lymphoid and myeloid bystander cells. Reflecting the secreted nature of the engineered efficacy modules, the entire product rather than just the gene-modified fraction exhibited enhanced activation and cytotoxic profiles, superior persistence and proliferative capacity even upon repeated tumour challenge. Secretion of stIL15 abrogated the need for exogenous cytokine supplementation during expansion and further mediated functional licensing of bystander NK cells. Compared to unmodified γδT cells, stIL15-OPS-γδ cells exhibited superior in-vivo control of subcutaneous tumour and persistence in the blood. stIL15-OPS-γδ cells were further efficacious in 3D patient-derived osteosarcoma models, where efficacy could be boosted with the addition of immunomodulatory aminobisphosphonate drug, zoledronic acid. Together the data identify stIL15-OPS-γδ cells as a novel allogeneic platform combining direct cytolysis with bystander activation to effect solid tumour control. One Sentence Summary Armoured, opsonin-secreting OPS-γδ cell immunotherapy is built on the innate strengths of the Vγ9Vδ2 cell chassis for allogeneic solid tumour targeting.

Abstract Chemotherapy, the standard of care treatment for cancer patients with advanced disease, has been increasingly recognised to activate host immune responses to produce durable outcomes. Here, in colorectal adenocarcinoma (CRC) we identify chemotherapy-induced Thioredoxin Interacting Protein ( TXNIP), a MondoA-dependent tumor suppressor gene, as a negative regulator of Growth/Differentiation Factor 15 (GDF15). GDF15 is a negative prognostic factor in CRC and promotes the differentiation of regulatory T cells (Tregs), through CD48 ligation. Intriguingly, multiple models including patient-derived tumor organoids demonstrate that loss of TXNIP/GDF15 axis functionality is associated with advanced disease or chemotherapeutic resistance, with transcriptomic or proteomic GDF15/TXNIP ratios showing potential as a prognostic biomarker. These findings illustrate a potentially common pathway where chemotherapy-induced epithelial stress drives local immune remodelling for patient benefit, with disruption of this pathway seen in refractory or advanced cases.

Abstract We recently described a low-affinity second-generation CD19 chimeric antigen receptor (CAR) CAT that showed enhanced expansion, cytotoxicity, and anti-tumour efficacy compared to the high-affinity (FMC63 based) CAR used in Tisagenlecleucel, in pre-clinical models. Furthermore, CAT demonstrated an excellent toxicity profile, enhanced in vivo expansion, and long-term persistence in a Phase I clinical study. To understand the molecular mechanisms behind these properties of CAT CAR T-cells, we performed a systematic in vitro characterization of the transcriptomic (RNA-seq) and protein (CyTOF) changes occurring in T-cells expressing low-affinity vs high-affinity CD19 CARs following stimulation with CD19-expressing cells. Our results show that CAT CAR T-cells exhibit enhanced activation to CD19 stimulation and a distinct transcriptomic and protein profile, with increased activation and cytokine polyfunctionality compared to FMC63 CAR T-cells. We demonstrate that the enhanced functionality of low-affinity CAT CAR T-cells is a consequence of an antigen-dependent priming induced by residual CD19-expressing B-cells present in the manufacture.

Organoids are powerful biomimetic tissue models. Despite their widespread adoption, methods to analyse cell-type specific post-translational modification (PTM) signalling networks in organoids are absent. Here we report multivariate single-cell analysis of cell-type specific signalling networks in organoids and organoid co-cultures. Simultaneous measurement of 28 PTMs in >1 million single small intestinal organoid cells by mass cytometry reveals cell-type and cell-state specific signalling networks in stem, Paneth, enteroendocrine, tuft, goblet cells, and enterocytes. Integrating single-cell PTM analysis with Thiol-reactive Organoid Barcoding in situ (TOB is ) enables high-throughput comparison of signalling networks between organoid cultures. Multivariate cell-type specific PTM analysis of colorectal cancer tumour microenvironment organoids reveals that shApc , Kras G12D , and Trp53 R172H cell-autonomously mimic signalling states normally induced by stromal fibroblasts and macrophages. These results demonstrate how standard mass cytometry workflows can be modified to perform high-throughput multivariate cell-type specific signalling analysis of healthy and cancerous organoids.

Lymph nodes (LNs) work as filtering organs, constantly sampling peripheral cues. This is facilitated by the conduit network, a parenchymal tubular-like structure formed of bundles of aligned extracellular matrix (ECM) fibrils ensheathed by fibroblastic reticular cells (FRCs). LNs undergo 5-fold expansion with every adaptive immune response and yet these ECM-rich structures are not permanently damaged. Whether conduit integrity and filtering functions are affected during cycles of LN expansion and resolution is not known. Here we show that the conduit structure is disrupted during acute LN expansion but FRC-FRC contacts remain intact. In homeostasis, polarised FRCs adhere to the underlying substrate to deposit ECM basolaterally. ECM production by FRCs is regulated by the C-type lectin CLEC-2, expressed by dendritic cells (DCs), at transcriptional and secretory levels. Inflamed LNs maintain conduit size-exclusion, but flow becomes leaky, which allows soluble antigens to reach more antigen-presenting cells. We show how dynamic communication between peripheral tissues and LNs changes during immune responses, and describe a mechanism that enables LNs to prevent inflammation-induced fibrosis.

We present SIGNAL-seq (Split-pool Indexing siG-Nalling AnaLysis by sequencing): a multiplexed splitpool combinatorial barcoding method that simultaneously measures RNA and post-translational modifications (PTMs) in fixed single cells from 3D models. SIGNAL-seq PTM measurements are equivalent to mass cytometry and RNA gene detection is analogous to split-pool barcoding scRNA-seq. By measuring both mRNA ligand-receptor pairs and PTMs in single cells, SIGNAL-seq can simultaneously uncover inter- and intra-cellular regulation of tumour microenvironment plasticity.