Patient-derived organoids (PDOs) recapitulate tumor architecture, contain cancer stem cells and have predictive value supporting personalized medicine. Here we describe a large-scale functional screen of dual-targeting bispecific antibodies (bAbs) on a heterogeneous colorectal cancer PDO biobank and paired healthy colonic mucosa samples. More than 500 therapeutic bAbs generated against Wingless-related integration site (WNT) and receptor tyrosine kinase (RTK) targets were functionally evaluated by high-content imaging to capture the complexity of PDO responses. Our drug discovery strategy resulted in the generation of MCLA-158, a bAb that specifically triggers epidermal growth factor receptor degradation in leucine-rich repeat-containing G-protein-coupled receptor 5-positive (LGR5+) cancer stem cells but shows minimal toxicity toward healthy LGR5+ colon stem cells. MCLA-158 exhibits therapeutic properties such as growth inhibition of KRAS-mutant colorectal cancers, blockade of metastasis initiation and suppression of tumor outgrowth in preclinical models for several epithelial cancer types. Batlle and colleagues develop an organoid platform for functional antibody screening and identify a therapeutic bispecific antibody that binds EGFR and LGR5 and that shows efficacy across epithelial tumor patient-derived xenograft models in vivo.

Aberrant activation of the Wnt signalling pathway is required for tumour initiation and survival in the majority of colorectal cancers. The development of inhibitors of Wnt signalling has been the focus of multiple drug discovery programs targeting colorectal cancer and other malignancies associated with aberrant pathway activation. However, progression of new clinical entities targeting the Wnt pathway has been slow. One challenge lies with the limited predictive power of 2D cancer cell lines because they fail to fully recapitulate intratumoural phenotypic heterogeneity. In particular, the relationship between 2D cancer cell biology and cancer stem cell function is poorly understood. By contrast, 3D tumour organoids provide a platform in which complex cell-cell interactions can be studied. However, complex 3D models provide a challenging platform for the quantitative analysis of drug responses of therapies that have differential effects on tumour cell subpopulations. Here, we generated tumour organoids from colorectal cancer patients and tested their responses to inhibitors of Tankyrase (TNKSi) which are known to modulate Wnt signalling. Using compounds with 3 orders of magnitude difference in cellular mechanistic potency together with image-based assays, we demonstrate that morphometric analyses can capture subtle alterations in organoid responses to Wnt inhibitors that are consistent with activity against a cancer stem cell subpopulation. Overall our study highlights the value of phenotypic readouts as a quantitative method to asses drug-induced effects in a relevant preclinical model.