Non-small cell lung cancer (NSCLC) is characterized by molecular heterogeneity with diverse immune cell infiltration patterns, which has been linked to therapy sensitivity and resistance. However, full understanding of how immune cell phenotypes vary across different patient subgroups is lacking. Here, we dissect the NSCLC tumor microenvironment at high resolution by integrating 1,283,972 single cells from 556 samples and 318 patients across 29 datasets, including our dataset capturing cells with low mRNA content. We stratify patients into immune-deserted, B cell, T cell, and myeloid cell subtypes. Using bulk samples with genomic and clinical information, we identify cellular components associated with tumor histology and genotypes. We then focus on the analysis of tissue-resident neutrophils (TRNs) and uncover distinct subpopulations that acquire new functional properties in the tissue microenvironment, providing evidence for the plasticity of TRNs. Finally, we show that a TRN-derived gene signature is associated with anti-programmed cell death ligand 1 (PD-L1) treatment failure.

SUMMARY Non-small cell lung cancer (NSCLC) is characterized by molecular heterogeneity with diverse immune cell infiltration patterns, which has been linked to both, therapy sensitivity and resistance. However, full understanding of how immune cell phenotypes vary across different patient and tumor subgroups is lacking. Here, we dissect the NSCLC tumor microenvironment at high resolution by integrating 1,212,463 single-cells from 538 samples and 309 patients across 29 datasets, including our own dataset capturing cells with low mRNA content. Based on the cellular composition we stratified patients into immune deserted, B cell, T cell, and myeloid cell subtypes. Using bulk samples with genomic and clinical information, we identified specific cellular components associated with tumor histology and genotypes. Analysis of cells with low mRNA content uncovered distinct subpopulations of tissue-resident neutrophils (TRNs) that acquire new functional properties in the tissue microenvironment, providing evidence for the plasticity of TRNs. TRN-derived gene signature was associated with anti-PD-L1 treatment failure in a large NSCLC cohort. In brief Salcher, Sturm, Horvath et al. integrate single-cell datasets to generate the largest transcriptome atlas in NSCLC, refining patient stratification based on tumor immune phenotypes, and revealing associations of histological subtypes and genotypes with specific cellular composition patterns. Coverage of cells with low mRNA content by single-cell sequencing identifies distinct tissue-resident neutrophil subpopulations, which acquire new properties within the tumor microenvironment. Gene signature from tissue-resident neutrophils is associated with immune checkpoint inhibitor treatment failure. The integrated atlas is publicly available online ( https://luca.icbi.at ), allowing the dissection of tumor-immune cell interactions in NSCLC. Highlights High-resolution single-cell atlas of the tumor microenvironment (TME) in NSCLC. Histological tumor subtypes and driver genes imprint specific cellular TME patterns. scRNA-seq of cells with low transcript count identifies distinct tissue-resident neutrophil (TRN) subpopulations and non-canonical functional properties in the TME niche. TRN gene signature identifies patients who are refractory to treatment with PD-L1 inhibitors. Abstract Figure

This was a retrospective study of the profile and initial treatments of adults diagnosed with early-stage (ES) non-small cell lung cancer (NSCLC) during January 2018–December 2021 at 16 leading hospital institutions in Austria, excluding patients enrolled in clinical trials. In total, 319 patients were enrolled at a planned ~1:1:1 ratio across StI:II:III. Most tested biomarkers were programmed death ligand 1 (PD-L1; 58% expressing), Kirsten rat sarcoma virus (KRAS; 22% positive), and epidermal growth factor receptor (EGFR; 18% positive). Of 115/98/106 StI/II/III patients, 82%/85%/36% underwent surgery, followed by systemic therapy in 9%/45%/47% of those [mostly chemotherapy (ChT)]. Unresected treated StIII patients received ChT + radiotherapy [43%; followed by immune checkpoint inhibitors (ICIs) in 39% of those], ICI ± ChT (35%), and ChT-alone/radiotherapy-alone (22%). Treatment was initiated a median (interquartile range) of 24 (7–39) days after histological confirmation, and 55 (38–81) days after first medical visit. Based on exploratory analyses of all patients newly diagnosed with any stage NSCLC during 2018–2021 at 14 of the sites (N = 7846), 22%/10%/25%/43% had StI/II/III/IV. The total number was not significantly different between pre-COVID-19 (2018–2019) and study-specific COVID-19 (2020–2021) periods, while StI proportion increased (21% vs. 23%; p = 0.012). Small differences were noted in treatments. In conclusion, treatments were aligned with guideline recommendations at a time which preceded the era of ICIs and targeted therapies in the (neo)adjuvant setting.

Apart from