Tumor-associated macrophages (TAMs) are essential components of the cancer microenvironment and play critical roles in the regulation of tumor progression. Optimal therapeutic intervention requires in-depth understanding of the sources that sustain macrophages in malignant tissues. In this study, we investigated the ontogeny of TAMs in murine pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) models. We identified both inflammatory monocytes and tissue-resident macrophages as sources of TAMs. Unexpectedly, significant portions of pancreas-resident macrophages originated from embryonic development and expanded through in situ proliferation during tumor progression. Whereas monocyte-derived TAMs played more potent roles in antigen presentation, embryonically derived TAMs exhibited a pro-fibrotic transcriptional profile, indicative of their role in producing and remodeling molecules in the extracellular matrix. Collectively, these findings uncover the heterogeneity of TAM origin and functions and could provide therapeutic insight for PDAC treatment.

Here, we utilized spontaneous models of pancreatic and lung cancer to examine how neoantigenicity shapes tumor immunity and progression. As expected, neoantigen expression during lung adenocarcinoma development leads to T cell-mediated immunity and disease restraint. By contrast, neoantigen expression in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) results in exacerbation of a fibro-inflammatory microenvironment that drives disease progression and metastasis. Pathogenic TH17 responses are responsible for this neoantigen-induced tumor progression in PDAC. Underlying these divergent T cell responses in pancreas and lung cancer are differences in infiltrating conventional dendritic cells (cDCs). Overcoming cDC deficiency in early-stage PDAC leads to disease restraint, while restoration of cDC function in advanced PDAC restores tumor-restraining immunity and enhances responsiveness to radiation therapy.

SUMMARY Pancreatic Ductal Adenocarcinoma (PDAC) is a lethal disease with limited treatment options and poor survival. We studied 73 samples from 21 patients (7 treatment-naïve and 14 treated with neoadjuvant regimens), analyzing distinct spatial units and performing bulk proteogenomics, single cell sequencing, and cellular imaging. Spatial drivers, including mutant KRAS , SMAD4 , and GNAQ, were associated with differential phosphosignaling and metabolic responses compared to wild type. Single cell subtyping discovered 12 of 21 tumors with mixed basal and classical features. Trefoil factor family members were upregulated in classical populations, while the basal populations showed enhanced expression of mesenchymal genes, including VIM and IGTB1 . Acinar-ductal metaplasia (ADM) populations, present in 95% of patients, with 46% reduction of driver mutation fractions compared to tumor populations, exhibited suppressive and oncogenic features linked to morphologic states. We identified coordinated expression of TIGIT in exhausted and regulatory T cells and Nectin receptor expression in tumor cells. Higher expression of angiogenic and stress response genes in dendritic cells compared to tumor cells suggests they have a pro-tumorigenic role in remodeling the microenvironment. Treated samples contain a three-fold enrichment of inflammatory CAFs when compared to untreated samples, while other CAF subtypes remain similar. A subset of tumor and/or ADM-specific biomarkers showed differential expression between treatment groups, and several known drug targets displayed potential cross-cell type reactivities. This resolution that spatially defined single cell omics provides reveals the diversity of tumor and microenvironment populations in PDAC. Such understanding may lead to more optimal treatment regimens for patients with this devastating disease. HIGHLIGHTS Acinar-ductal metaplasia (ADM) cells represent a genetic and morphologic transition state between acinar and tumor cells. Inflammatory cancer associated fibroblasts (iCAFs) are a major component of the PDAC TME and are significantly higher in treated samples Receptor-ligand analysis reveals tumor cell-TME interactions through NECTIN4-TIGIT Tumor and ADM cell proteogenomics differ between treated and untreated samples, with unique and shared potential drug targets

Summary Tissue-resident macrophages (TRMs) are long-lived cells that maintain locally and can be phenotypically distinct from monocyte-derived macrophages (MDMs). However, whether TRMs and MDMs have functional distinction under differing pathologies is not understood. Here, we show a significant portion of macrophages that accumulated during pancreatitis and pancreatic cancer were expanded from TRMs. We further established that pancreas TRMs have a distinct extracellular matrix remodeling phenotype that was critical for maintaining tissue homeostasis during inflammation. Loss of TRMs led to exacerbation of severe pancreatitis and animal death, due to impaired acinar cell survival and recovery. In pancreatitis, TRMs elicited protective effects by triggering the accumulation and activation of fibroblasts, which was necessary for initiating fibrosis as a wound healing response. The same TRM-driven fibrosis, however, drove pancreas cancer pathogenesis and progression. Together, these findings indicate that TRMs play divergent roles in the pathogenesis of pancreatitis and cancer through regulation of stromagenesis.

Abstract Tumor-associated macrophages (TAMs) are involved in many aspects of cancer progression and correlate with poor clinical outcomes in many cancer types, including pancreatic ductal adenocarcinomas (PDACs). Previous studies have shown that TAMs can populate PDAC tumors not only by monocyte recruitment but also by local proliferation. However, the impact local proliferation might have on macrophage phenotype and cancer progression is unknown. Here, we utilized genetically engineered cancer models, single-cell RNA-sequencing data, and in vitro systems to show that proliferation of TAMs was driven by colony stimulating factor-1 (CSF1) produced by cancer-associated fibroblasts. CSF1 induced high levels of p21 in macrophages, which regulated both TAM proliferation and phenotype. TAMs in human and mouse PDACs with high levels of p21 had more inflammatory and immunosuppressive phenotypes. The p21 expression in TAMs was induced by both stromal interaction and/or chemotherapy treatment. Finally, by modeling p21 expression levels in TAMs, we found that p21-driven macrophage immunosuppression in vivo drove tumor progression. Serendipitously, the same p21-driven pathways that drive tumor progression, also drive response to CD40 agonist. These data suggest that stromal or therapy-induced regulation of cell cycle machinery can regulate both macrophage-mediated immune suppression and susceptibility to innate immunotherapy. Summary TAMs are indicative of poor clinical outcomes and in PDAC their number is sustained in part by local proliferation. This study shows that stromal desmoplasia drives local proliferation of TAMs, and induces their immunosuppressive ability through altering cell cycle machinery, including p21 expression. Serendipitously, these changes in p21 in TAMs also potentially render tumors more sensitive to CD40 agonist therapy.

Abstract Chronic activation of inflammatory pathways and suppressed interferon signaling are hallmarks of myeloid cells in immunosuppressive tumors that drive poor responsiveness to conventional and immune therapies. Previous studies have identified agonistic activation of the CD11b integrin as a potential strategy to enhance anti-tumor immunity. However, the mechanisms by which CD11b-agonism reprogram tumor immunity are poorly understood, and this may impair patient selection and identification of effective treatment combinations. Herein we used a combination of in vitro systems, animal models, and samples from first in human clinical trials of the CD11b-agonist GB1275 to identify the mechanism of action of this approach and identify combinations for further testing. We found that CD11b agonism altered tumor-associated macrophage (TAM) phenotypes by simultaneously repressing NFκB/IL1-signaling and activating interferon (IFN) gene expression. Repression of NFκB/IL-1 signaling was due to rapid degradation of p65 protein by the proteosome and was not context dependent. In contrast, CD11b agonism triggered mitochondrial dysfunction to stimulate STING-induced, STAT1-mediated interferon signaling. The magnitude of CD11b agonist induction of STING/IFN signaling was dependent on the tumor microenvironment and was significantly amplified by cytotoxic therapies. Using tissues from phase I clinical trials, we demonstrated that GB1275 treatment activated STING and STAT1 signaling in TAMs in human tumors. Together, these mechanisms allowed macrophages to augment anti-tumor T cell immunity. These studies identified potential mechanism-based therapeutic strategies for CD11b agonist use and identified potential patient populations more likely to benefit from them. Statement of significance CD11b agonists are a novel approach to reprogram myeloid cells in solid tumors. We show that GB1275, a CD11b-agonist, amplified STING/IFN signaling in TAMs to support anti-tumor immunity and this signaling is amplified further by cytotoxic therapy. These studies support new treatment strategies for advanced solid tumors with myeloid immunosuppression.