ABSTRACT Safely expanding indications for cellular therapies has been challenging given a lack of highly cancer-specific surface markers. Here, we explore the hypothesis that tumor cells express cancer-specific surface protein conformations, invisible to standard target discovery pipelines evaluating gene or protein expression, that can be identified and immunotherapeutically targeted. We term this strategy, integrating cross-linking mass spectrometry (XL-MS) with glycoprotein surface capture, “structural surfaceomics”. As a proof of principle, we apply this technology to acute myeloid leukemia, a hematologic malignancy with dismal outcomes and no known optimal immunotherapy target. We identify the activated conformation of integrin-β2 as a structurally-defined, widely-expressed, AML-specific target. We develop and characterize recombinant antibodies to this protein conformation, and show that chimeric antigen receptor (CAR) T-cells eliminate AML cells and patient-derived xenografts without notable toxicity versus normal hematopoietic cells. Our findings validate an AML conformation-specific target antigen while demonstrating a toolkit for applying these strategies more broadly.

Despite the success of BCMA-targeting CAR-Ts in multiple myeloma, patients with high-risk cytogenetic features still relapse most quickly and are in urgent need of additional therapeutic options. Here, we identify CD70, widely recognized as a favorable immunotherapy target in other cancers, as a specifically upregulated cell surface antigen in high risk myeloma tumors. We use a structure-guided design to define a CD27-based anti-CD70 CAR-T design that outperforms all tested scFv-based CARs, leading to >80-fold improved CAR-T expansion in vivo. Epigenetic analysis via machine learning predicts key transcription factors and transcriptional networks driving CD70 upregulation in high risk myeloma. Dual-targeting CAR-Ts against either CD70 or BCMA demonstrate a potential strategy to avoid antigen escape-mediated resistance. Together, these findings support the promise of targeting CD70 with optimized CAR-Ts in myeloma as well as future clinical translation of this approach.

Histologic variant (HV) subtypes of bladder cancer are clinically aggressive tumors that are more resistant to standard therapy compared to conventional urothelial carcinoma (UC). Little is known about the transcriptional programs that account for the morphological and biological differences in HV tumors. To investigate the tumor biology of HV bladder cancers, we generated a single cell RNA sequencing (scRNA-seq) atlas of nine HV tumors and three UC tumors. Our analyses revealed a tumor cell state specific to HVs that is characterized by expression of MUC16 (CA125), KRT24, and WISP2. This CA125+ cell state bears transcriptional hallmarks of epithelial-mesenchymal transition, is enriched in metastases, is predicted to be highly chemotherapy resistant, and is linked with poor survival, suggesting that this cell state plays an important role in the aggressive biology of HV tumors. Our analyses also provide novel evidence of transcriptional "mimicry" between HVs and histologically similar non-urothelial cell types. Lastly, we identified higher expression of TM4SF1, a cell surface protein associated with cancer metastasis, in HV tumor cells compared to UC tumor cells. Finally, CAR T cells engineered against TM4SF1 protein demonstrated in vitro and in vivo activity against bladder cancer cell lines in a TM4SF1 expression-dependent manner, highlighting its potential as a therapeutic target in bladder cancer.