Multimodal liquid biopsy sequencing: advancing immunotherapy one cell at a time
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Director
Heyn, Holger
Tutor
Heyn, Holger
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Publication Date
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310 p.
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Nieto García, P. Multimodal liquid biopsy sequencing: advancing immunotherapy one cell at a time. Universitat Pompeu Fabra; 2026. handle: https://hdl.handle.net/10803/697398
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Doctoral program
Universitat Pompeu Fabra. Doctorat en Biomedicina
Abstract
Aquesta tesi doctoral estableix el líquid cefalorraquidi (CSF) i els vessaments pleurals com a fonts de biòpsia líquida mínimament invasives per disseccionar el microambient tumoral (TME) en la malaltia leptomeníngia (LMD) i els vessaments pleurals (PE) mitjançant seqüenciació d’ARN de cèl·lula única (scRNA-seq), perfilat dels receptors de cèl·lules T (TCR), transcriptòmica espacial i integració multiòmica. Demostrem que el CSF recapitula fidelment els ambients immunitaris específics de cada malaltia en patologies inflamatòries del sistema nerviós central, limfoma, glioblastoma i metàstasis cerebrals, destacant l’activació compartimentalitzada de cèl·lules T, la reprogramació metabòlica mieloide vinculada a nivells alterats de lactat, i el trànsit de clons de cèl·lules T entre la sang, el CSF i la lesió parenquimal, validat per transcriptòmica espacial utilitzant la plataforma Xenium. En paral·lel, el perfilat multiòmic de més de 200.000 cèl·lules de vessaments pleurals de càncers de pulmó, mama i ovari en comparació amb controls d’insuficiència cardíaca va revelar l’heterogeneïtat tumoral que reflecteix les lesions primàries, els estats de cèl·lules T CD8+ exhaustes específics de cada malaltia i la presència de macròfags associats a tumors predictius de la resposta al tractament, així com una signatura diagnòstica validada de 50 gens que supera la citologia en la detecció de malignitat. Aquests resultats posicionen les biòpsies líquides com a finestres dinàmiques de l’ecosistema tumoral i immunitari, permetent monitorar en temps real les dinàmiques clonals, així com estratificar immunològicament i detectar clons resistents per guiar la immunoteràpia de precisió, a més de destacar els desafiaments computacionals en la integració de dades multimodals a través de compartiments.
Esta tesis doctoral establece el líquido cefalorraquídeo (CSF) y los derrames pleurales como fuentes de biopsia líquida mínimamente invasivas para diseccionar el microambiente tumoral (TME) en enfermedad leptomeníngea (LMD) y derrames pleurales (PE) mediante secuenciación de ARN de célula única (scRNA-seq), perfilado de receptores de células T (TCR), transcriptómica espacial e integración multiómica. Demostramos que el CSF recapitula fielmente los ambientes inmunes específicos de cada enfermedad en enfermedades inflamatorias del sistema nervioso central, linfoma, glioblastoma y metástasis cerebrales, destacando la activación compartimentalizada de células T, la reprogramación metabólica mieloide vinculada a niveles alterados de lactato, y tráfico de clones de células T entre sangre, CSF y la lesión parenquimal, validado por transcriptómica espacial usando la plataforma Xenium. En paralelo, el perfilado multiómico de más de 200,000 células de derrames pleurales de cánceres de pulmón, mama y ovario frente a controles de insuficiencia cardíaca reveló la heterogeneidad tumoral que refleja las lesiones primarias, los estados de células T CD8+ exhaustas específicos de la enfermedad y la presencia de macrófagos asociados a tumores predictivos de la respuesta al tratamiento, así como una firma diagnóstica validada de 50 genes que supera a la citología en la detección de malignidad. Estos hallazgos posicionan las biopsias líquidas como ventanas dinámicas del ecosistema tumoral e inmunes, permitiendo monitorizar en tiempo real las dinámicas clonales, así como para la estratificación inmune y la detección de clones resistentes para guiar la inmunoterapia de precisión, además de destacar los desafíos computacionales en la integración de datos multimodales a través de compartimentos.
This PhD thesis establishes cerebrospinal fluid (CSF) and pleural effusions as minimally invasive liquid biopsy sources to dissect the tumor microenvironment (TME) in leptomeningeal disease (LMD) and pleural effusions (PE) using single-cell RNA sequencing (scRNA-seq), T cell receptor (TCR) profiling, spatial transcriptomics, and multi-omic integration. We demonstrate that CSF faithfully recapitulates disease-specific immune landscapes from primary central nervous system inflammatory diseases, lymphoma, glioblastoma, and brain metastases, revealing compartmentalized T cell activation, myeloid metabolic reprogramming linked to altered lactate levels, and clonal trafficking between blood, CSF, and parenchymal lesions, validated by Xenium spatial transcriptomics. In parallel, multi-omic profiling of >200,000 cells from lung, breast, and ovarian cancer PEs versus heart failure controls uncovers tumor heterogeneity mirroring primary lesions, disease-specific exhausted CD8+ T cell and tumor-associated macrophage states predictive of treatment response, and a validated 50-gene diagnostic signature outperforming cytology for malignancy detection. These findings position proximal liquid biopsies as dynamic windows into evolving tumor-immune ecosystems, enabling real-time monitoring of clonal dynamics, immune stratification, and resistance emergence to guide precision immunotherapy while highlighting computational challenges in sparse, multi-modal data integration across compartments.
Esta tesis doctoral establece el líquido cefalorraquídeo (CSF) y los derrames pleurales como fuentes de biopsia líquida mínimamente invasivas para diseccionar el microambiente tumoral (TME) en enfermedad leptomeníngea (LMD) y derrames pleurales (PE) mediante secuenciación de ARN de célula única (scRNA-seq), perfilado de receptores de células T (TCR), transcriptómica espacial e integración multiómica. Demostramos que el CSF recapitula fielmente los ambientes inmunes específicos de cada enfermedad en enfermedades inflamatorias del sistema nervioso central, linfoma, glioblastoma y metástasis cerebrales, destacando la activación compartimentalizada de células T, la reprogramación metabólica mieloide vinculada a niveles alterados de lactato, y tráfico de clones de células T entre sangre, CSF y la lesión parenquimal, validado por transcriptómica espacial usando la plataforma Xenium. En paralelo, el perfilado multiómico de más de 200,000 células de derrames pleurales de cánceres de pulmón, mama y ovario frente a controles de insuficiencia cardíaca reveló la heterogeneidad tumoral que refleja las lesiones primarias, los estados de células T CD8+ exhaustas específicos de la enfermedad y la presencia de macrófagos asociados a tumores predictivos de la respuesta al tratamiento, así como una firma diagnóstica validada de 50 genes que supera a la citología en la detección de malignidad. Estos hallazgos posicionan las biopsias líquidas como ventanas dinámicas del ecosistema tumoral e inmunes, permitiendo monitorizar en tiempo real las dinámicas clonales, así como para la estratificación inmune y la detección de clones resistentes para guiar la inmunoterapia de precisión, además de destacar los desafíos computacionales en la integración de datos multimodales a través de compartimentos.
This PhD thesis establishes cerebrospinal fluid (CSF) and pleural effusions as minimally invasive liquid biopsy sources to dissect the tumor microenvironment (TME) in leptomeningeal disease (LMD) and pleural effusions (PE) using single-cell RNA sequencing (scRNA-seq), T cell receptor (TCR) profiling, spatial transcriptomics, and multi-omic integration. We demonstrate that CSF faithfully recapitulates disease-specific immune landscapes from primary central nervous system inflammatory diseases, lymphoma, glioblastoma, and brain metastases, revealing compartmentalized T cell activation, myeloid metabolic reprogramming linked to altered lactate levels, and clonal trafficking between blood, CSF, and parenchymal lesions, validated by Xenium spatial transcriptomics. In parallel, multi-omic profiling of >200,000 cells from lung, breast, and ovarian cancer PEs versus heart failure controls uncovers tumor heterogeneity mirroring primary lesions, disease-specific exhausted CD8+ T cell and tumor-associated macrophage states predictive of treatment response, and a validated 50-gene diagnostic signature outperforming cytology for malignancy detection. These findings position proximal liquid biopsies as dynamic windows into evolving tumor-immune ecosystems, enabling real-time monitoring of clonal dynamics, immune stratification, and resistance emergence to guide precision immunotherapy while highlighting computational challenges in sparse, multi-modal data integration across compartments.
Keywords
Líquid cefalorraquidi, Cerebrospinal fluid, Líquido cefalorraquídeo, Microambient tumoral, Tumor microenvironment, Microambiente tumoral, Seqüenciació d’ARN de cèl·lula, Single-cell RNA sequencing, Secuenciación de ARN de célula, Integració multiòmica, Multi-omic integration, Integración multiómica, Immunoteràpia, Immunotherapy, Inmunoterapia
Subjects
616.8 - Neurology. Neuropathology. Nervous system
Publisher
Universitat Pompeu Fabra
