The balance and distribution of epithelial cell types is required to maintain tissue homeostasis. A hallmark of airway diseases is epithelial remodeling, leading to increased goblet cell numbers and an overproduction of mucus. In the conducting airway, basal cells act as progenitors for both secretory and ciliated cells. To identify mechanisms regulating basal cell fate, we developed a screenable 3D culture system of airway epithelial morphogenesis. We performed a high-throughput screen using a collection of secreted proteins and identified inflammatory cytokines that specifically biased basal cell differentiation toward a goblet cell fate, culminating in enhanced mucus production. We also demonstrate a specific requirement for Notch2 in cytokine-induced goblet cell metaplasia in vitro and in vivo. We conclude that inhibition of Notch2 prevents goblet cell metaplasia induced by a broad range of stimuli and propose Notch2 neutralization as a therapeutic strategy for preventing goblet cell metaplasia in airway diseases.

Leukemia cells re-program their microenvironment to augment blast proliferation and enhance treatment resistance. Means of clinically targeting such niche-driven treatment resistance remain ambiguous. We develop human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-engineered niches to reveal druggable cancer-niche dependencies. We reveal that mesenchymal (iMSC) and vascular niche-like (iANG) hiPSC-derived cells support ex vivo proliferation of patient-derived leukemia cells, affect dormancy, and mediate treatment resistance. iMSCs protect dormant and cycling blasts against dexamethasone, while iANGs protect only dormant blasts. Leukemia proliferation and protection from dexamethasone-induced apoptosis is dependent on cancer-niche interactions mediated by CDH2. Consequently, we test CDH2 antagonist ADH-1 (previously in Phase I/II trials for solid tumors) in a very aggressive patient-derived xenograft leukemia mouse model. ADH-1 shows high in vivo efficacy; ADH-1/dexamethasone combination is superior to dexamethasone alone, with no ADH-1-conferred additional toxicity. These findings provide a proof-of-concept starting point to develop improved, potentially safer therapeutics targeting niche-mediated cancer dependencies in blood cancers.

Abstract Patient derived xenograft (PDX) models are regarded as gold standard preclinical models in leukaemia research, especially in testing new drug combinations where typically 45-50 animals are used per assay. 9000 animal experiments are performed annually in leukaemia research with these expensive procedures being described as moderate severity, meaning they cause significant pain, suffering and visible distress to animal’s state. Furthermore, not all clinical leukaemia samples engraft and when they do data turnaround time can be between 6-12 months. Heavy dependence on animal models is because clinical leukaemia samples do not proliferate in vitro. Alternative cell line models though popular for drug testing are not biomimetic – they are not dependent on the microenvironment for survival, growth and treatment response and being derived from relapse samples they do not capture the molecular complexity observed at disease presentation. Here we have developed an in vitro platform to rapidly establish co-cultures of patient-derived leukaemia cells with 3D bone marrow mesenchyme spheroids, BM-MSC-spheroids. We optimise protocols for developing MSC-spheroid leukaemia co-culture using clinical samples and deliver drug response data within a week. Using three patient samples representing distinct cytogenetics we show that patient-derived-leukaemia cells show enhanced proliferation when co-cultured with MSC-spheroids. In addition, MSC-spheroids provided improved protection against treatment. This makes our spheroids suitable to model treatment resistance – a major hurdle in current day cancer management Given this 3Rs approach is 12 months faster (in delivering clinical data), is a human cell-based biomimetic model and 45-50 animals/drug-response assay cheaper the anticipated target end-users would include academia and pharmaceutical industry. This animal replacement prototype would facilitate clinically translatable research to be performed with greater ethical, social and financial sustainability. Research Highlights Scientific Benefit A 3D spheroid-based approach for ex vivo co-culture of clinical leukaemia samples for further investigation into cancer biology such as blast-niche interactions, blast proliferation and treatment resistance 3Rs Benefit To replace moderate severity animal procedures in leukaemia research and drug testing Practical Benefit 3Rs approach that yields drug response data quickly and is more ethically, socially and financially sustainable than its in vivo counterparts Current applications Exploration of leukaemia biology such as blasts proliferation, blast-niche interactions, niche-impacted treatment resistance and obtain drug response data Potential applications Extend the approach to include other haematological cancers as well as bone cancers.

Abstract Leukaemia cells re-program their microenvironment to provide proliferation support and protection from standard chemotherapy, molecularly targeted therapies, and immunotherapy. Although much is becoming known about molecules that drive niche-dependent treatment resistance; means of targeting these in the clinics has remained a key obstacle. To address this challenge, we have developed human induced pluripotent stem cell engineered niches ex vivo to reveal insights into druggable cancer-niche dependencies. We show that mesenchymal (iMSC) and vascular niche-like (iANG) cells support ex vivo proliferation of patient-derived leukaemia cells, impact dormancy and mediate therapy resistance. iMSC protected both non-cycling and cycling blasts against dexamethasone treatment while iANG protected only dormant blasts. Leukaemia proliferation and protection from dexamethasone induced-apoptosis was dependent on direct cell-cell contact and mediated by CDH2. To explore the therapeutic potential of disrupting this cell-cell interaction, we tested the CDH2 antagonist ADH-1 (previously in phase I / II for solid tumours) in a very aggressive patient-derived xenograft leukaemia mouse model. ADH-1 showed high in vivo efficacy. ADH-1/ dexamethasone combination therapy was superior to dexamethasone alone with no ADH1 conferred additional toxicity. These findings provide a proof-of-concept starting point to develop novel, potentially safer therapeutics that target niche-mediated cancer cell dependencies in haematological malignancies. Summary CDH2 mediated niche-dependent cancer proliferation and treatment resistance is clinically targetable via ADH-1, a low toxic agent that could be potentially repurposed for future clinical trials in acute leukaemia.