Summary

 Hepatocellular carcinoma (HCC) is the most common primary liver cancer and the second most frequent cause of cancer-related mortality worldwide. The multikinase inhibitor sorafenib is the only treatment option for advanced HCC. Due to tumor heterogeneity, its efficacy greatly varies between patients and is limited due to adverse effects and drug resistance. Current in vitro models fail to recapitulate key features of HCCs. We report the generation of long-term organoid cultures from tumor needle biopsies of HCC patients with various etiologies and tumor stages. HCC organoids retain the morphology as well as the expression pattern of HCC tumor markers and preserve the genetic heterogeneity of the originating tumors. In a proof-of-principle study, we show that liver cancer organoids can be used to test sensitivity to sorafenib. In conclusion, organoid models can be derived from needle biopsies of liver cancers and provide a tool for developing tailored therapies.

SUMMARY We performed a proteogenomic analysis of hepatocellular carcinomas (HCCs) across clinical stages and etiologies. We identified pathways differentially regulated on the genomic, transcriptomic, proteomic and phosphoproteomic levels. These pathways are involved in the organization of cellular components, cell cycle control, signaling pathways, transcriptional and translational control and metabolism. Analyses of CNA-mRNA and mRNA-protein correlations identified candidate driver genes involved in epithelial-to-mesenchymal transition, the Wnt-β-catenin pathway, transcriptional control, cholesterol biosynthesis and sphingolipid metabolism. The activity of targetable kinases aurora kinase A and CDKs was upregulated. We found that CTNNB1 mutations are associated with altered phosphorylation of proteins involved in actin filament organization, whereas TP53 mutations are associated with elevated CDK1/2/5 activity and altered phosphorylation of proteins involved in lipid and mRNA metabolism. Integrative clustering identified HCC subgroups with distinct regulation of biological processes, metabolic reprogramming and kinase activation. Our analysis provides insights into the molecular processes underlying HCCs.

Abstract Sarcomatoid Urothelial Bladder Cancer (SARC) is a rare and aggressive histological subtype of bladder cancer for which therapeutic options are limited and experimental models are lacking. Here, we report the establishment of the first long-term 3D organoid-like model derived from a SARC patient ( SarBC-01 ). SarBC-01 emulates aggressive morphological and phenotypical features of SARC and harbor somatic mutations in genes frequently altered in sarcomatoid tumors such as TP53, RB1 , and KRAS . High-throughput drug screening, using a library comprising 1567 compounds in SarBC-01 and organoids derived from a patient with conventional urothelial carcinoma (UroCa), identified drug candidates active against SARC cells exclusively, or UroCa cells exclusively, or both. Among those, standard-of-care chemotherapeutic drugs inhibited both SARC and UroCa cells, while a subset of targeted drugs was specifically effective in SARC cells, such as agents targeting the Glucocorticoid Receptor (GR) pathway. In two independent patient cohorts, GR was found to be significantly more expressed, at mRNA and protein level, in SARC as compared to UroCa tumor samples. Further, glucocorticoid treatment impaired the mesenchymal morphology, abrogated the invasive ability of SARC cells, and led to transcriptomic changes associated with reversion of epithelial-to-mesenchymal transition, at single-cell level. Altogether, our study highlights the power of organoids for precision oncology and for providing key insights into factors driving rare tumor entities.

The recent demonstration that primary cells from the liver can be expanded in vitro as organoids holds enormous promise for regenerative medicine and disease modeling. The use of three-dimensional (3D) cultures based on ill-defined and potentially immunogenic matrices, however, hampers the translation of liver organoid technology into real-life applications. We here used chemically defined hydrogels for the efficient derivation of both mouse and human hepatic organoids. Organoid growth was found to be highly stiffness-sensitive and dependent on yes-associated protein 1 (YAP) activity. However, in contrast to intestinal organoids, YAP-mediated stiffness sensitivity was independent of acto-myosin contractility, requiring instead activation of the Src family of kinases (SFKs). Aberrant matrix stiffness on the other hand led to a shift in the progenitor phenotype, resulting in compromised proliferative capacity. Finally, we demonstrate the unprecedented establishment of biopsy-derived human liver organoids without the use of animal components at any step of the process. Our approach thus opens up exciting perspectives for the establishment of protocols for liver organoid-based regenerative medicine.