Abstract Breast cancer arises from breast epithelial cells that acquire genetic alterations leading to subsequent loss of tissue homeostasis. Several distinct epithelial subpopulations have been proposed, but complete understanding of the spectrum of heterogeneity and differentiation hierarchy in the human breast remains elusive. Here, we use single-cell mRNA sequencing (scRNAseq) to profile the transcriptomes of 25,790 primary human breast epithelial cells isolated from reduction mammoplasties of seven individuals. Unbiased clustering analysis reveals the existence of three distinct epithelial cell populations, one basal and two luminal cell types, which we identify as secretory L1- and hormone-responsive L2-type cells. Pseudotemporal reconstruction of differentiation trajectories produces one continuous lineage hierarchy that closely connects the basal lineage to the two differentiated luminal branches. Our comprehensive cell atlas provides insights into the cellular blueprint of the human breast epithelium and will form the foundation to understand how the system goes awry during breast cancer.

Niche signals maintain stem cells in a prolonged quiescence or transiently activate them for proper regeneration1. Altering balanced niche signalling can lead to regenerative disorders. Melanocytic skin nevi in human often display excessive hair growth, suggesting hair stem cell hyperactivity. Here, using genetic mouse models of nevi2,3, we show that dermal clusters of senescent melanocytes drive epithelial hair stem cells to exit quiescence and change their transcriptome and composition, potently enhancing hair renewal. Nevus melanocytes activate a distinct secretome, enriched for signalling factors. Osteopontin, the leading nevus signalling factor, is both necessary and sufficient to induce hair growth. Injection of osteopontin or its genetic overexpression is sufficient to induce robust hair growth in mice, whereas germline and conditional deletions of either osteopontin or CD44, its cognate receptor on epithelial hair cells, rescue enhanced hair growth induced by dermal nevus melanocytes. Osteopontin is overexpressed in human hairy nevi, and it stimulates new growth of human hair follicles. Although broad accumulation of senescent cells, such as upon ageing or genotoxic stress, is detrimental for the regenerative capacity of tissue4, we show that signalling by senescent cell clusters can potently enhance the activity of adjacent intact stem cells and stimulate tissue renewal. This finding identifies senescent cells and their secretome as an attractive therapeutic target in regenerative disorders.

Abstract Metastasis is a fatal disease where research progress has been hindered by a lack of authentic experimental models. Here, we develop a 3D tumor sphere culture-transplant system that facilitates the expansion and engineering of patient-derived xenograft (PDX) tumor cells for functional metastasis assays in vivo . Orthotopic transplantation and RNA sequencing analyses show that PDX tumor spheres maintain tumorigenic potential, and the molecular marker and global transcriptome signatures of native tumor cells. Tumor spheres display robust capacity for lentiviral engineering and dissemination in spontaneous and experimental metastasis assays in vivo . Inhibition of pathways previously reported to attenuate metastasis also inhibit metastasis after sphere culture, validating our approach for authentic investigations of metastasis. Finally, we demonstrate a new role for the metabolic enzyme NME1 in promoting breast cancer metastasis, providing proof-of-principle that our culture-transplant system can be used for authentic propagation and engineering of patient tumor cells for functional studies of metastasis.

Abstract In the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) pandemic, considerable focus has been placed on a model of viral entry into host epithelial populations, with a separate focus upon the responding immune system dysfunction that exacerbates or causes disease. We developed a precision-cut lung slice model to investigate very early host-viral pathogenesis and found that SARS-CoV-2 had a rapid and specific tropism for myeloid populations in the human lung. Infection of alveolar macrophages was partially dependent upon their expression of ACE2, and the infections were productive for amplifying virus, both findings which were in contrast with their neutralization of another pandemic virus, Influenza A virus (IAV). Compared to IAV, SARS-CoV-2 was extremely poor at inducing interferon-stimulated genes in infected myeloid cells, providing a window of opportunity for modest titers to amplify within these cells. Endotracheal aspirate samples from humans with the acute respiratory distress syndrome (ARDS) from COVID-19 confirmed the lung slice findings, revealing a persistent myeloid depot. In the early phase of SARS-CoV-2 infection, myeloid cells may provide a safe harbor for the virus with minimal immune stimulatory cues being generated, resulting in effective viral colonization and quenching of the immune system.

In the pathogenesis of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection, epithelial populations in the distal lung expressing Angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) are infrequent, and therefore, the model of viral expansion and immune cell engagement remains incompletely understood. Using human lungs to investigate early host-viral pathogenesis, we found that SARS-CoV-2 had a rapid and specific tropism for myeloid populations. Human alveolar macrophages (AMs) reliably expressed ACE2 allowing both spike-ACE2–dependent viral entry and infection. In contrast to Influenza A virus, SARS-CoV-2 infection of AMs was productive, amplifying viral titers. While AMs generated new viruses, the interferon responses to SARS-CoV-2 were muted, hiding the viral dissemination from specific antiviral immune responses. The reliable and veiled viral depot in myeloid cells in the very early phases of SARS-CoV-2 infection of human lungs enables viral expansion in the distal lung and potentially licenses subsequent immune pathologies.

Objective The objective of this study is to investigate radioactive iodine therapy (RAIT) dose impact on survival and recurrence in patients with papillary thyroid cancer (PTC) with regional lymph node metastasis (N1). Methods A retrospective study of PTC patients with N1 disease from 2007 to 2011 at a tertiary academic hospital collected demographics, tumor characteristics, and RAIT treatment dose. RAIT dose was stratified by total dosage less than or greater than 150 mCi. Outcomes included recurrence, immediate RAIT side-effects, and mortality. Results A total of 60 N1a and 21 N1b patients were studied with a median follow-up of about 9 years. No statistically significant differences were found between N1a PTC patients who received high-dose vs low-dose RAIT in recurrence rate (6.9% vs 6.7%, P > 0.999) or immediate RAIT side effects (6.9% vs 16.1%, P = 0.426). There were no mortalities in the N1a group. For patients with N1b PTC, there were no differences between high-dose and low-dose RAIT in recurrence rate (41.7% vs 44.4%, P > 0.999), mortality (0% vs 16.7%, P = 0.375), or immediate RAIT side effects (8.3% vs 11.1%, P > 0.999). Conclusion Dosages of RAIT ≥ 150 mCi do not appear to provide additional benefit in reducing recurrence compared to doses <150 mCi for N1a or N1b PTC patients. No differences in mortality or immediate RAIT side effects were observed between the two dosing regimens; however, interpretation is limited by low event rates. Large randomized trials are needed for further individualized recommendations regarding optimal RAIT dosage in N1 PTC.

Around 95% of anti-cancer drugs that show promise during preclinical study fail to gain FDA-approval for clinical use. This failure of the preclinical pipeline highlights the need for improved, physiologically-relevant in vitro models that can better serve as reliable drug-screening tools. The vascularized micro-tumor (VMT) is a novel three-dimensional model system that recapitulates the complex human tumor microenvironment, including perfused vasculature, within a transparent microfluidic device, allowing real-time study of drug responses and tumor-stromal interactions. Here we have validated the VMT platform for the study of colorectal cancer (CRC), the second leading cause of cancer-related deaths, by showing that gene expression, tumor heterogeneity, and treatment response in the VMT more closely model CRC tumor clinicopathology than current standard drug screening modalities, including 2-dimensional (2D) monolayer culture and 3-dimensional (3D) spheroids.