Abstract Bone metastases are devastating complications of cancer. They are particularly common in prostate cancer, represent incurable disease and are refractory to immunotherapy. We sought to define distinct features of the bone marrow microenvironment by analyzing single cells from prostate cancer patients’ involved bone, uninvolved bone and distant bone sites as well as bone from cancer-free, orthopedic patients and healthy individuals. Metastatic prostate cancer was associated with multifaceted immune distortion, specifically exhaustion of distinct T cell subsets, appearance of macrophages with states specific to prostate cancer bone metastases. The chemokine CCL20 was notably overexpressed by myeloid cells, as was its cognate CCR6 receptor on T cells. Disruption of the CCL20-CCR6 axis in mice with syngeneic prostate bone metastases restored T cell reactivity and significantly prolonged animal survival. Comparative high resolution analysis of prostate cancer bone metastasis shows a targeted approach for relieving local immunosuppression for therapeutic effect.

Abstract Thymic atrophy and the progressive immune decline that accompanies it is a major health problem, chronically with age and acutely with immune injury. No solution has been defined. Here we demonstrate that one of the three mesenchymal cell subsets identified by single-cell analysis of human and mouse thymic stroma is a critical niche component for T lymphopoiesis. The Postn+ subset is located perivascularly in the cortical-medullary junction, medulla and subcapsular regions. Cell depletion demonstrated that it recruits T competent cells to the thymus and initiates T lymphopoiesis in vivo . This subset distinctively expresses the chemokine Ccl19 necessary for niche functions. It markedly declines with age and in the acute setting of hematopoietic stem cell transplant conditioning. When isolated and adoptively transferred, these cells durably engrafted the atrophic thymus, recruited early T progenitors, increased T cell neogenesis, expanded TCR complexity and enhanced T cell response to vaccination. These data define a thymus lymphopoietic niche cell type that may be manipulated therapeutically to regenerate T lymphopoiesis.

Abstract Tissue resident myeloid cells (TRM) in adults have highly variable lifespans and may be derived from early embryonic yolk sac, fetal liver or bone marrow. Some of these TRM are known pathogenic participants in congenital and acquired diseases. Myeloablative conditioning and hematopoietic stem cell transplant can replace long-lived brain TRM resulting in clinical improvements in metabolic storage diseases. With the advent of antibody-drug-conjugate (ADC) targeted cell killing as a cell selective means of transplant conditioning, we assessed the impact of anti-CD45-ADC on TRM in multiple tissues. Replacement of TRM ranged from 40 to 95 percent efficiencies in liver, lung, and skin tissues, after a single anti-CD45-ADC dose and bone marrow hematopoietic cell transfer. Of note, the population size of TRM in tissues returned to pre-treatment levels suggesting a regulated control of TRM abundance. As expected, brain, microglia were not affected, but brain monocytes and macrophages were 50% replaced. Anti-CD45-ADC and adoptive cell transfer were then tested in the chronic acquired condition, atherosclerosis exacerbated by Tet2 mutant clonal hematopoiesis. Plaque resident myeloid cells were efficiently replaced with anti-CD45-ADC and wild-type bone marrow cells. Notably, this reduced existent atherosclerotic plaque burden. Overall, these results indicate that anti-CD45-ADC clears both HSC and TRM niches enabling cell replacement to achieve disease modification in a resident myeloid cell driven disease.

ABSTRACT Most cancer deaths result from progression of therapy resistant disease, yet our understanding of this phenotype is limited. Cancer therapies generate stress signals that act upon mitochondria to initiate apoptotic programs. We isolated mitochondria from neuroblastoma cell lines obtained from children at diagnosis and after relapse following failed therapy, and profiled responses to tBid and Bim, death effectors activated by therapeutic stress. Mitochondria from post-relapse models had markedly attenuated cytochrome c release (surrogate for apoptotic commitment) in comparison with patient-matched diagnostic models. Mitochondrial DNA content, size, and shape did not differ consistently. However, we used electron microscopy to identify reduced endoplasmic reticulum-mitochondria contacts (ERMCs) as correlated with therapy resistance. ERMCs form microdomains for the transfer of Ca 2+ to mitochondria. We confirmed reduced Ca 2+ transfer in resistant cells, with restoration by re-opposing ERMCs via genetically-encoded linkers. However, reduced Ca 2+ transfer was not present in all ERMC-reduced cancers with therapy resistance, supporting Ca 2+ -independent mechanisms. Genetically or biochemically reducing ERMCs in therapy sensitive tumors phenocopied resistance, validating these inter-organelle contacts as physiologic regulators of apoptosis. Our work confirms the importance of ERMCs in stress signaling and provides a previously unrecognized mechanism for cancer cell resistance that is not exclusive to other contributors.