Phenotypic dynamics of rectal cancer under neoadjuvant therapy: a multi-omic single-cell perspective from patient-derived organoids [Evoluzione fenotipica del carcinoma del retto durante terapia neoadiuvante: una prospettiva multi-omica a singola cellula da organoidi derivati ​​dal paziente]

This work investigates the mechanisms of phenotypic adaptation and intratumor heterogeneity (ITH) in colorectal cancer, with a particular focus on locally advanced rectal cancer. Therapy resistance remains one of the major challenges in oncology, and understanding the adaptive trajectories available to tumor cells is crucial to identify molecular dependencies that may be exploited therapeutically. To address this, we established patient-derived organoids (PDOs) as high-fidelity models of rectal cancer and used them to recapitulate the therapeutic regimens administered to the donor patients. By coupling longitudinal sampling with multi-resolution transcriptomic profiling, including bulk, single-cell, and long-read sequencing approaches, we traced the evolution of tumor cells under treatment pressure. This strategy enabled the identification of transcriptional programs, phenotypic states, and splicing isoforms that emerge during therapy-induced selective bottlenecks. The analysis revealed that clonal evolution and phenotypic plasticity play pivotal roles in shaping resistance, highlighting how treatment can enrich resistant subpopulations that ultimately drive disease recurrence. Overall, this work underscores the importance of investigating phenotypic heterogeneity alongside genomic variability to fully comprehend tumor adaptation. The integration of patient-derived organoid models with advanced sequencing technologies provides new insights into the dynamics of therapeutic resistance, identifies critical windows of tumor plasticity, and highlights potential vulnerabilities that could inform the development of novel treatment strategies in colorectal cancer

Questo studio esplora i meccanismi di adattamento fenotipico e l’eterogeneità intratumorale (ITH) nel carcinoma colorettale, con particolare attenzione alle forme localmente avanzate di carcinoma del retto. La resistenza terapeutica rappresenta una delle principali sfide in oncologia; comprenderne le traiettorie adattative è essenziale per identificare le dipendenze molecolari che possono essere sfruttate a fini terapeutici. Per affrontare questo obiettivo, abbiamo sviluppato organoidi derivati da pazienti (PDO) come modelli ad alta fedeltà del carcinoma rettale e li abbiamo utilizzati per riprodurre in vitro i regimi terapeutici somministrati ai pazienti donatori. Combinando il campionamento longitudinale con un approccio trascrittomico multi-risoluzione — comprendente sequenziamento bulk, single-cell e in long-read — abbiamo tracciato l’evoluzione delle cellule tumorali sottoposte a pressione terapeutica. Questa strategia ha permesso di identificare programmi trascrizionali, stati fenotipici e isoforme di splicing che emergono durante i colli di bottiglia selettivi indotti dal trattamento. Le nostre analisi rivelano come l’evoluzione clonale e la plasticità fenotipica contribuiscano in modo determinante alla resistenza, mostrando che la terapia può selezionare sottopopolazioni cellulari resilienti responsabili della recidiva tumorale. Nel complesso, il lavoro evidenzia l’importanza di integrare l’analisi dell’eterogeneità fenotipica con quella genomica per una comprensione più completa dei processi adattativi del tumore. L’impiego congiunto di modelli PDO e tecnologie di sequenziamento avanzate fornisce nuove prospettive sulle dinamiche della resistenza terapeutica, individua finestre critiche di plasticità tumorale e delinea potenziali vulnerabilità sfruttabili nello sviluppo di strategie terapeutiche innovative per il carcinoma colorettale.