Spatial hallmarks of cancer: blueprinting precision oncology in MIBC and beyond

Abstract

Tot i els avenços en immunoteràpia i quimioteràpia per al càncer de bufeta múscul-invasor (MIBC), els biomarcadors predictius sovint no capten els determinants espacials de la resposta terapèutica. Aquesta tesi utilitza transcriptòmica espacial i modelització ecològica per analitzar com els patrons espacials d’interaccions immunes i trets cancerígens (hallmarks) condicionen els resultats del tractament en el MIBC, i si aquests patrons es conserven en altres tipus de tumors. El treball es basa en cinc objectius: (1) analitzar les limitacions contextuals de la Signatura d’Inflamació Tumoral (TIS), (2) caracteritzar l’accessibilitat de cèl·lules immunes i l’activació de checkpoints per proximitat espacial, (3) explorar el paper de la plasticitat fenotípica en la resposta terapèutica, (4) investigar la interacció espacial entre hallmarks, i (5) avaluar-ne la conservació en altres càncers.

Els resultats mostren que la TIS no aconsegueix estratificar els pacients a causa de la seva insensibilitat a l’exclusió immune espacial. En canvi, els pacients que responen a la immunoteràpia presenten nínxols rics en epitelis infiltrats per cèl·lules T CD8⁺, NK i T reguladores, mentre que els no-responedors mostren zones amb una alta densitat de fibroblasts que segreguen els efectors immunitaris. La senyalització efectiva de checkpoints requereix la co-localització espacial de lligands (PDL1, CD86) i receptors (PD1, CTLA4).

En tumors tractats amb quimioteràpia, la plasticitat fenotípica emergeix com un mecanisme de resistència no genètic i organitzat espacialment. Malgrat tenir poca divergència genòmica, els no-responedors mostren una alta discrepància entre la heterogeneïtat genòmica i fenotípica, indicant una adaptació funcional com a via de resistència. Els models espacials revelen combinacions distintes de hallmarks segons el tractament i el context immune.

Un últim anàlisi pancàncer demostra que els hallmarks adopten una arquitectura espacial conservada: els trets neoplàsics es concentren al centre del tumor, mentre que els hallmarks estromals i immunitaris s’enriqueixen a les interfícies tumor–microambient. Aquests resultats proposen una nova visió de la biologia tumoral, on els resultats terapèutics depenen no només dels programes actius, sinó també de com estan integrats espacialment dins de l’ecosistema tumoral.

A pesar de los avances en inmunoterapia y quimioterapia para el cáncer de vejiga músculo-invasivo (MIBC), los biomarcadores predictivos a menudo no capturan los determinantes espaciales de la respuesta terapéutica. Esta tesis utiliza transcriptómica espacial y modelos ecológicos para analizar cómo los patrones espaciales de interacciones inmunes y hallmarks del cáncer influyen en los resultados del tratamiento en MIBC, y si dichos patrones se conservan en otros tipos de tumores. El estudio se basa en cinco objetivos: (1) evaluar las limitaciones contextuales de la Firma de Inflamación Tumoral (TIS), (2) caracterizar la accesibilidad inmune y la activación de checkpoints mediante proximidad espacial, (3) estudiar el papel de la plasticidad fenotípica en la respuesta terapéutica, (4) examinar la interacción espacial entre hallmarks, y (5) evaluar su conservación en otros tipos tumorales.

Se demuestra que la TIS no logra estratificar a los pacientes debido a su insensibilidad a la exclusión inmune espacial. En cambio, los respondedores a inmunoterapia presentaron nichos epiteliales infiltrados por células T CD8⁺, NK y T reguladoras, mientras que los no respondedores mostraron regiones con fibroblastos que segregaban a los efectores inmunes. La señalización efectiva de checkpoints dependió de la co-localización espacial entre ligandos (PDL1, CD86) y receptores (PD1, CTLA4).

En tumores tratados con quimioterapia, la plasticidad fenotípica surgió como un mecanismo de resistencia no genético organizado espacialmente. Los no respondedores mostraron alta discordancia entre heterogeneidad genómica y fenotípica, reflejando una resistencia adaptativa. Los modelos espaciales revelaron combinaciones distintas de hallmarks según el tratamiento y el contexto inmune.

Finalmente, un análisis pancáncer mostró que los hallmarks siguen patrones espaciales conservados: los rasgos neoplásicos se concentran en el centro tumoral, mientras que los hallmarks inmunes y estromales se enriquecen en la periferia. En conjunto, los resultados promueven una visión espacialmente informada de la biología tumoral, en la que los resultados terapéuticos dependen no solo de los programas activos, sino también de su organización dentro del ecosistema tumoral.

Despite advances in immunotherapy and chemotherapy for muscle-invasive bladder cancer (MIBC), predictive biomarkers often fail to capture the complex determinants of therapeutic response. This thesis leverages spatial transcriptomics and ecological modeling to dissect how spatial patterns of immune interactions and cancer hallmarks shape treatment outcomes in MIBC, and whether such patterns are conserved in other cancer types. Five core objectives guided this work: (1) investigating the contextual limitations of the 18-gene Tumor Inflammation Signature (TIS), (2) characterizing immune cell accessibility and checkpoint activation through spatial proximity, (3) uncovering the role of phenotypic plasticity in therapeutic outcome, (4) unraveling how the spatial interplay between cancer hallmarks influence outcomes, and (5) assessing the conservation of hallmark architecture across cancer types.

The findings show that TIS fails to stratify patients in prospective trials due to its insensitivity to spatial immune exclusion. In contrast, immune checkpoint inhibitor (ICI) responders displayed epithelial-rich niches infiltrated by CD8⁺ T cells, NK cells, and T regulatory cells, whereas non-responders exhibited fibroblast-dense regions that spatially segregated immune effectors. Productive checkpoint signaling required the spatial co-localization of ligands (e.g., PDL1, CD86) and receptors (e.g., PD1, CTLA4), underscoring the necessity of anatomical engagement beyond immune cell presence.

In chemotherapy-treated tumors, phenotypic plasticity emerged as a spatially organized, non-genetic mechanism of resistance. Despite low genomic divergence, non-responders exhibited high discordance between genomic and phenotypic intratumoral heterogeneity, indicating adaptive hallmark expression as a key mode of chemoresistance. Spatial modeling revealed that both responders and non-responders exhibit hallmark colocalization or decoupling, but with distinct combinations depending on treatment and immune context.

A final pancancer analysis demonstrated that hallmark programs form conserved spatial layers across tumor types, with core neoplastic traits concentrated centrally and immune or stromal hallmarks enriched at neoplastic–microenvironment interfaces. Together, these results call for a spatially informed rethinking of tumor biology, where therapeutic outcomes are governed not only by which programs are active, but also by how they are spatially embedded within the tumor ecosystem.