A single sentence summarizing your paper (websum), which will appear online on the table of contents and in e-alerts, has been provided below. Please check this sentence for accuracy and appropriate emphasis. Itay Tirosh et al. use single-cell RNA-seq to show that human oligodendrogliomas contain cancer cells specialized into two types of glia, as well as a rare subpopulation of cells that are undifferentiated and display a gene expression program that is characteristic of neural stem cells. By coupling this analysis with functional assessment of oligodendroglioma cell lines, the authors provide support for a cancer stem cell model of tumour development in this particular context. Although human tumours are shaped by the genetic evolution of cancer cells, evidence also suggests that they display hierarchies related to developmental pathways and epigenetic programs in which cancer stem cells (CSCs) can drive tumour growth and give rise to differentiated progeny1. Yet, unbiased evidence for CSCs in solid human malignancies remains elusive. Here we profile 4,347 single cells from six IDH1 or IDH2 mutant human oligodendrogliomas by RNA sequencing (RNA-seq) and reconstruct their developmental programs from genome-wide expression signatures. We infer that most cancer cells are differentiated along two specialized glial programs, whereas a rare subpopulation of cells is undifferentiated and associated with a neural stem cell expression program. Cells with expression signatures for proliferation are highly enriched in this rare subpopulation, consistent with a model in which CSCs are primarily responsible for fuelling the growth of oligodendroglioma in humans. Analysis of copy number variation (CNV) shows that distinct CNV sub-clones within tumours display similar cellular hierarchies, suggesting that the architecture of oligodendroglioma is primarily dictated by developmental programs. Subclonal point mutation analysis supports a similar model, although a full phylogenetic tree would be required to definitively determine the effect of genetic evolution on the inferred hierarchies. Our single-cell analyses provide insight into the cellular architecture of oligodendrogliomas at single-cell resolution and support the cancer stem cell model, with substantial implications for disease management.

Circulating signals of drug resistance Cancer drugs often lose their effectiveness because tumors acquire genetic changes that confer drug resistance. Ideally, patients would be switched to a different drug before tumor growth resumes, but this requires early knowledge of how resistance arose. Miyamoto et al. have developed a non-invasive method to spot resistance by sequencing RNA transcripts in single circulating tumor cells (CTCs) (see the Perspective by Nanus and Giannakakou). For example, in prostate cancer patients, drug resistance was triggered by activation of the Wnt signaling pathway. But CTCs are rare and fragile, and the technology needs further development before it is used in clinical practice. Science , this issue p. 1351 ; see also p. 1283

Summary

 Single-cell technologies have described heterogeneity across tissues, but the spatial distribution and forces that drive single-cell phenotypes have not been well defined. Combining single-cell RNA and protein analytics in studying the role of stromal cancer-associated fibroblasts (CAFs) in modulating heterogeneity in pancreatic cancer (pancreatic ductal adenocarcinoma [PDAC]) model systems, we have identified significant single-cell population shifts toward invasive epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) and proliferative (PRO) phenotypes linked with mitogen-activated protein kinase (MAPK) and signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) signaling. Using high-content digital imaging of RNA in situ hybridization in 195 PDAC tumors, we quantified these EMT and PRO subpopulations in 319,626 individual cancer cells that can be classified within the context of distinct tumor gland "units." Tumor gland typing provided an additional layer of intratumoral heterogeneity that was associated with differences in stromal abundance and clinical outcomes. This demonstrates the impact of the stroma in shaping tumor architecture by altering inherent patterns of tumor glands in human PDAC.

The relationship of SARS-CoV-2 pulmonary infection and severity of disease is not fully understood. Here we show analysis of autopsy specimens from 24 patients who succumbed to SARS-CoV-2 infection using a combination of different RNA and protein analytical platforms to characterize inter-patient and intra-patient heterogeneity of pulmonary virus infection. There is a spectrum of high and low virus cases associated with duration of disease. High viral cases have high activation of interferon pathway genes and a predominant M1-like macrophage infiltrate. Low viral cases are more heterogeneous likely reflecting inherent patient differences in the evolution of host response, but there is consistent indication of pulmonary epithelial cell recovery based on napsin A immunohistochemistry and RNA expression of surfactant and mucin genes. Using a digital spatial profiling platform, we find the virus corresponds to distinct spatial expression of interferon response genes demonstrating the intra-pulmonary heterogeneity of SARS-CoV-2 infection.

NASA's future Habitable Worlds Observatory (HWO) will enable the direct detection and characterization of Earth-like planets around Sun-like stars using high-contrast imaging. One of the most promising approaches to achieve this goal is to use a coronagraph. A good candidate for implementation in HWO is the vortex coronagraph, which is featured in both earlier mission concepts HabEx and LUVOIR. However, HWO would benefit from a scalar vortex coronagraph instead of the well-established vector vortex coronagraphs in order to increase throughput and reach its ambitious goal of characterizing Earth-like exoplanets. Metasurfaces present a promising technology for achromatizing scalar vortex coronagraphs, because they allow for more design freedom in a single layer of constant thickness compared to scalar vortex phase masks based on variable thickness of a dielectric substrate. Here, we present our progress in developing metasurface scalar vortex phase masks. We present updated broadband designs of scalar metasurface phase masks of different topographies (vortex and phase knife), and simulate their performance with appropriate simulation tools. We also discuss first manufacturing attempts at such masks, and outline the next steps needed to push their performance towards the levels required for HWO.

Connecting a coronagraph instrument to a spectrograph via a single-mode optical fiber is a promising technique for characterizing the atmospheres of exoplanets with ground and space-based telescopes. However, due to the small separation and extreme flux ratio between planets and their host stars, instrument sensitivity will be limited by residual starlight leaking into the fiber. To minimize stellar leakage, we must control the electric field at the fiber input. Implicit electric field conjugation (iEFC) is a model-independent wavefront control (WFC) technique in contrast with classical EFC, which requires a detailed optical model of the system. We present here the concept of an iEFC-based WFC algorithm to improve stellar rejection through a single-mode fiber (SMF). As opposed to image-based iEFC, which relies on minimizing intensity in a dark hole region, our approach aims to minimize the amount of residual starlight coupling into an SMF. We present broadband simulation results demonstrating a normalized intensity ≥10−10 for both fiber-based EFC and iEFC. We find that both control algorithms exhibit similar performance for the low wavefront error (WFE) case, however, iEFC outperforms EFC by ≈100x in the high WFE regime. Having no need for an optical model, this fiber-based approach offers a promising alternative to EFC for ground and space-based telescope missions, particularly in the presence of residual WFE.

Directly imaging Earth-like exoplanets around Sun-like stars with the future Habitable Worlds Observatory (HWO) will require coronagraphic focal plane masks able to suppress starlight to the 1 × 10⁻¹⁰ contrast levels. Furthermore, to collect enough photons for broadband imaging and detection and to minimize the number of parallel channels for spectroscopic characterization, this level of contrast must be achieved across a 20% bandwidth. Scalar vortex coronagraphs show promise as a polarization-independent alternative to polarizationsensitive vector vortex coronagraphs, but still face chromatic limitations. New scalar vortex mask designs incorporate radial phase dimples to improve the broadband performance. We present initial manufacturing results of prototype masks of these designs including phase metrology and microscope images, in preparation for broadband chromatic characterization and starlight suppression measurements, to be taken on a high contrast imaging testbed. We also present a preliminary narrowband (2%) dark hole result achieving 1.8 × 10⁻⁸ average contrast from 3.5-10λ₀/D on the High Contrast Spectroscopy Testbed at Caltech. This work aims to advance the technological maturity of scalar vortex coronagraphs as a viable option for consideration for HWO.