Summary The bone marrow permanently harbors high numbers of neutrophils, and a tumor-supportive bias of these cells could significantly impact bone marrow-confined malignancies. In multiple myeloma, the bone marrow is characterized by inflammatory stromal cells with the potential to influence neutrophils. We investigated myeloma-associated alterations in marrow neutrophils and the impact of stromal inflammation on neutrophil function. Mature neutrophils in myeloma marrow are activated and tumor-supportive, transcribing increased levels of IL-1β, and myeloma cell survival factor BAFF. Interactions with inflammatory stromal cells can induce neutrophil activation, including BAFF secretion, in a STAT3-dependent manner and once activated, neutrophils gain the ability to reciprocally induce stromal activation. After first-line myeloid-depleting treatment, patient bone marrow retains residual stromal inflammation and newly-formed neutrophils are reactivated. Combined, we identify a neutrophil-stromal cell feed-forward loop driving tumor-supportive inflammation that persists after treatment and warrants novel strategies to target both stromal and immune microenvironments in multiple myeloma.

Abstract Natural killer (NK) cells mediate the cytotoxic immune response against multiple myeloma and are important effector cells in immune therapies through antibody-dependent cellular cytotoxicity. Here, we used single-cell transcriptomics, flow cytometry and functional assays to investigate the bone marrow NK cell compartment of myeloma patients at diagnosis, during treatment and after relapse. The bone marrow of myeloma patients is characterized by a reduction in conventional cytotoxic NK cells that persists throughout treatment. We show in 20% of newly diagnosed myeloma patients that an altered balance between cytotoxic and cytokine-producing NK cells translates into a reduced cytotoxic ability in response to therapeutic antibodies. The relative loss of cytotoxic NK cells persists at relapse and is accompanied by an expansion of IFN-responsive NK cells. These findings reveal previously unappreciated alterations in bone marrow NK cell composition and highlight the importance of understanding the bone marrow immune system in patients receiving immunotherapies. Statement of significance The bone marrow of multiple myeloma patients is characterized by a persistent reduction in cytotoxic CD56 dim NK cells, accompanied by inferior in vitro responses to therapeutic antibodies at diagnosis and an increase in IFN-responsive NK cells at relapse. These findings highlight the importance of understanding the BM microenvironment in multiple myeloma patients receiving immunotherapies.

SUMMARY Multiple Myeloma (MM) is driven by clonal plasma cell (PC)-intrinsic factors and changes in the tumorigenic microenvironment (TME). To investigate if residual polyclonal PCs (pPCs) are disrupted, single-cell (sc) RNAseq and sc B-cell receptor analysis were applied in a cohort of 46 samples with PC dyscrasias and 18 healthy donors (HDs). Out of n= 213,074 CD138 pos PCs, 42,717 were genotypically identified as pPCs. Compared to HDs, we detected quantitative and qualitative differences in pPCs of patients showing immunoparesis, where we showed a pro-inflammatory status, driven by specific cellular interactions with TME. Finally, we derived a “hPC signature” that, once inferred in the CoMMpass dataset, was predictive of PFS and OS. Our findings show that genotypic, single-cell identification of pPCs in PC dyscrasias has relevant pathogenic and clinical implications.

Abstract Multiple myeloma is a disease of malignant plasma cells residing in the bone marrow, where interactions with local immune cells are thought to contribute to disease pathobiology. However, since a multiple myeloma diagnosis is virtually always preceded by an asymptomatic precursor phase, identifying early alterations in the bone marrow micro-environment following occupation by multiple myeloma cells remains challenging. Here we used the 5TGM1 transfer model of murine myeloma in combination with myeloma-permissive KaLwRij mice and myeloma-resistant C57Bl/6 mice and hypothesized that differential sensitivity to myeloma in these HLA-identical mouse strains has an immunological basis and might allow for dissection of early immune responses to myeloma cells. Using flow cytometry and single-cell RNA sequencing we show that C57Bl/6 mice can restrain tumor growth for prolonged periods, associated with activation of cytotoxic immune responses that were absent from KaLwRij mice. Transcriptional analysis of immune cells and stromal cells identified a central role for IFN-signaling in tumor containment, and antibody-mediated neutralization of IFNγ increased both incidence and outgrowth of multiple myeloma in C57Bl/6 mice. Together these findings highlight the ability of a fully functional immune system to control multiple myeloma progression in an IFNγ−dependent manner and suggest that transfer of 5TGM1 cells into parental C57Bl/6 mice can serve as a faithful model to track anti-myeloma immune responses in immune competent and genetically modifiable mice.