Cancers are composed of populations of cells with distinct molecular and phenotypic features, a phenomenon termed intratumor heterogeneity (ITH). ITH in lung cancers has not been well studied. We applied multiregion whole-exome sequencing (WES) on 11 localized lung adenocarcinomas. All tumors showed clear evidence of ITH. On average, 76% of all mutations and 20 out of 21 known cancer gene mutations were identified in all regions of individual tumors, which suggested that single-region sequencing may be adequate to identify the majority of known cancer gene mutations in localized lung adenocarcinomas. With a median follow-up of 21 months after surgery, three patients have relapsed, and all three patients had significantly larger fractions of subclonal mutations in their primary tumors than patients without relapse. These data indicate that a larger subclonal mutation fraction may be associated with increased likelihood of postsurgical relapse in patients with localized lung adenocarcinomas.

Significance Chimeric antigen receptor T (CAR-T) cell therapy has produced promising results in clinical trials but has been challenged by the inability to control engineered cells once infused into the patient. Here we present a generalizable method of controlling CAR-T cells using peptide-engrafted antibody-based molecular switches that act as a bridge between the target cell and CAR-T cell. We show that switches specific for CD19 govern the activity, tissue-homing, cytokine release, and phenotype of switchable CAR-T cells in a dose-titratable manner using xenograft mouse models of B-cell leukemia. We expect that this method of tuning CAR-T cell responses will provide improved safety and versatility of CAR–T-cell therapy in the clinic.

The adoptive transfer of autologous T cells engineered to express a chimeric antigen receptor (CAR) has emerged as a promising cancer therapy. Despite impressive clinical efficacy, the general application of current CAR-T--cell therapy is limited by serious treatment-related toxicities. One approach to improve the safety of CAR-T cells involves making their activation and proliferation dependent upon adaptor molecules that mediate formation of the immunological synapse between the target cancer cell and T-cell. Here, we describe the design and synthesis of structurally defined semisynthetic adaptors we refer to as "switch" molecules, in which anti-CD19 and anti-CD22 antibody fragments are site-specifically modified with FITC using genetically encoded noncanonical amino acids. This approach allows the precise control over the geometry and stoichiometry of complex formation between CD19- or CD22-expressing cancer cells and a "universal" anti-FITC-directed CAR-T cell. Optimization of this CAR-switch combination results in potent, dose-dependent in vivo antitumor activity in xenograft models. The advantage of being able to titrate CAR-T-cell in vivo activity was further evidenced by reduced in vivo toxicity and the elimination of persistent B-cell aplasia in immune-competent mice. The ability to control CAR-T cell and cancer cell interactions using intermediate switch molecules may expand the scope of engineered T-cell therapy to solid tumors, as well as indications beyond cancer therapy.

Abstract Intravital multi-photon imaging of the bone marrow is crucial to the study of cellular dynamics, communication with the microenvironment and functions, however, imaging of deep tissue areas is challenging and minimally invasive methods for deep-marrow imaging in intact long bones are needed. We developed a high pulse energy 1650 nm laser prototype, which permits to surpass >100 µm thick cortical bone and to perform three-photon microscopy (3PM) in more than 400 µm depth in the marrow cavity of intact mouse tibia in vivo . Its unique 3 and 4 MHz laser repetition rates allowed us to analyze motility patterns of rare cells over large fields of view deep within the unperturbed marrow. In this way, we found a bi-modal migratory behavior of marrow plasma cells. Besides, the analysis of third harmonics generation (THG) in the tibia identified this signal to be a label-free indicator of the abundance of cellular organelles, in particular the endoplasmic reticulum, reflecting protein biosynthesis capacity. We found that only one third of the plasma cells in the tibia marrow of adult mice have a strong THG signal and, thus, a high protein synthesis capacity, while the other two thirds of plasma cells display a low THG signal. Finally, we identified an inverse link between migratory behavior and THG signal strength in marrow plasma cells. As in these cells, the protein biosynthesis capacity indicated by a strong THG signal is mainly associated with antibody secretion, we could relate motility to functional states of plasma cells in vivo . Our 3PM method retains the ability to connect cellular dynamics to protein biosynthesis capacity in various marrow cell types beyond plasma cells, as THG is a ubiquitous signal, opening new perspectives on understanding how tissue microenvironment impacts on cellular functions in the bone marrow.