Bevacizumab, an antibody against vascular endothelial growth factor (VEGF), is a promising, yet controversial, drug in human glioblastoma treatment (GBM). Its effects on tumor burden, recurrence, and vascular physiology are unclear. We therefore determined the tumor response to bevacizumab at the phenotypic, physiological, and molecular level in a clinically relevant intracranial GBM xenograft model derived from patient tumor spheroids. Using anatomical and physiological magnetic resonance imaging (MRI), we show that bevacizumab causes a strong decrease in contrast enhancement while having only a marginal effect on tumor growth. Interestingly, dynamic contrast-enhanced MRI revealed a significant reduction of the vascular supply, as evidenced by a decrease in intratumoral blood flow and volume and, at the morphological level, by a strong reduction of large- and medium-sized blood vessels. Electron microscopy revealed fewer mitochondria in the treated tumor cells. Importantly, this was accompanied by a 68% increase in infiltrating tumor cells in the brain parenchyma. At the molecular level we observed an increase in lactate and alanine metabolites, together with an induction of hypoxia-inducible factor 1α and an activation of the phosphatidyl-inositol-3-kinase pathway. These data strongly suggest that vascular remodeling induced by anti-VEGF treatment leads to a more hypoxic tumor microenvironment. This favors a metabolic change in the tumor cells toward glycolysis, which leads to enhanced tumor cell invasion into the normal brain. The present work underlines the need to combine anti-angiogenic treatment in GBMs with drugs targeting specific signaling or metabolic pathways linked to the glycolytic phenotype.

L-Glutamine (Gln) functions physiologically to balance the carbon and nitrogen requirements of tissues. It has been proposed that in cancer cells undergoing aerobic glycolysis, accelerated anabolism is sustained by Gln-derived carbons, which replenish the tricarboxylic acid (TCA) cycle (anaplerosis). However, it is shown here that in glioblastoma (GBM) cells, almost half of the Gln-derived glutamate (Glu) is secreted and does not enter the TCA cycle, and that inhibiting glutaminolysis does not affect cell proliferation. Moreover, Gln-starved cells are not rescued by TCA cycle replenishment. Instead, the conversion of Glu to Gln by glutamine synthetase (GS; cataplerosis) confers Gln prototrophy, and fuels de novo purine biosynthesis. In both orthotopic GBM models and in patients, 13C–glucose tracing showed that GS produces Gln from TCA-cycle-derived carbons. Finally, the Gln required for the growth of GBM tumours is contributed only marginally by the circulation, and is mainly either autonomously synthesized by GS-positive glioma cells, or supplied by astrocytes. Gottlieb and colleagues demonstrate that glioblastoma cell proliferation under glutamine starvation conditions depends on the glutamine-synthetase-dependent conversion of glutamate to glutamine to fuel purine biosynthesis and cell growth.

Abstract The identity and unique capacity of cancer stem cells (CSC) to drive tumor growth and resistance have been challenged in brain tumors. Here we report that cells expressing CSC-associated cell membrane markers in Glioblastoma (GBM) do not represent a clonal entity defined by distinct functional properties and transcriptomic profiles, but rather a plastic state that most cancer cells can adopt. We show that phenotypic heterogeneity arises from non-hierarchical, reversible state transitions, instructed by the microenvironment and is predictable by mathematical modeling. Although functional stem cell properties were similar in vitro, accelerated reconstitution of heterogeneity provides a growth advantage in vivo, suggesting that tumorigenic potential is linked to intrinsic plasticity rather than CSC multipotency. The capacity of any given cancer cell to reconstitute tumor heterogeneity cautions against therapies targeting CSC-associated membrane epitopes. Instead inherent cancer cell plasticity emerges as a novel relevant target for treatment.

The evolutionary processes that drive universal therapeutic resistance in adult patients with diffuse glioma remain unclear1,2. Here we analysed temporally separated DNA-sequencing data and matched clinical annotation from 222 adult patients with glioma. By analysing mutations and copy numbers across the three major subtypes of diffuse glioma, we found that driver genes detected at the initial stage of disease were retained at recurrence, whereas there was little evidence of recurrence-specific gene alterations. Treatment with alkylating agents resulted in a hypermutator phenotype at different rates across the glioma subtypes, and hypermutation was not associated with differences in overall survival. Acquired aneuploidy was frequently detected in recurrent gliomas and was characterized by IDH mutation but without co-deletion of chromosome arms 1p/19q, and further converged with acquired alterations in the cell cycle and poor outcomes. The clonal architecture of each tumour remained similar over time, but the presence of subclonal selection was associated with decreased survival. Finally, there were no differences in the levels of immunoediting between initial and recurrent gliomas. Collectively, our results suggest that the strongest selective pressures occur during early glioma development and that current therapies shape this evolution in a largely stochastic manner. The GLASS Consortium studies the evolutionary trajectories of 222 patients with a diffuse glioma to aid in our understanding of tumour progression and treatment failure

Significance Natural killer (NK) cells are effectors of the antitumor immunity, able to kill cancer cells through the release of the cytotoxic protease granzyme B. NK-based therapies have recently emerged as promising anticancer strategies. It is well established that hypoxic microenvironment interferes with the function of antitumor immune cells and constitutes a major obstacle for cancer immunotherapies. We showed that breast cancer cells evade effective NK-mediated killing under hypoxia by activating autophagy that we have identified to be responsible for the degradation of NK-derived granzyme B. We demonstrated that blocking autophagy restored NK-mediated lysis in vitro, and facilitated breast tumor elimination by NK cells in mice. We provided evidence that targeting autophagy may pave the way to achieve more effective NK-based anticancer immunotherapy.

Microglia are specialized parenchymal-resident phagocytes of the central nervous system (CNS) that actively support, defend and modulate the neural environment. Dysfunctional microglial responses are thought to worsen CNS diseases; nevertheless, their impact during neuroinflammatory processes remains largely obscure. Here, using a combination of single-cell RNA sequencing and multicolour flow cytometry, we comprehensively profile microglia in the brain of lipopolysaccharide (LPS)-injected mice. By excluding the contribution of other immune CNS-resident and peripheral cells, we show that microglia isolated from LPS-injected mice display a global downregulation of their homeostatic signature together with an upregulation of inflammatory genes. Notably, we identify distinct microglial activated profiles under inflammatory conditions, which greatly differ from neurodegenerative disease-associated profiles. These results provide insights into microglial heterogeneity and establish a resource for the identification of specific phenotypes in CNS disorders, such as neuroinflammatory and neurodegenerative diseases.

Phenotypic plasticity has emerged as a major contributor to intra-tumoral heterogeneity and treatment resistance in cancer. Increasing evidence shows that glioblastoma (GBM) cells display prominent intrinsic plasticity and reversibly adapt to dynamic microenvironmental conditions. Limited genetic evolution at recurrence further suggests that resistance mechanisms also largely operate at the phenotypic level. Here we review recent literature underpinning the role of GBM plasticity in creating gradients of heterogeneous cells including those that carry cancer stem cell (CSC) properties. A historical perspective from the hierarchical to the nonhierarchical concept of CSCs towards the recent appreciation of GBM plasticity is provided. Cellular states interact dynamically with each other and with the surrounding brain to shape a flexible tumor ecosystem, which enables swift adaptation to external pressure including treatment. We present the key components regulating intra-tumoral phenotypic heterogeneity and the equilibrium of phenotypic states, including genetic, epigenetic, and microenvironmental factors. We further discuss plasticity in the context of intrinsic tumor resistance, where a variable balance between preexisting resistant cells and adaptive persisters leads to reversible adaptation upon treatment. Innovative efforts targeting regulators of plasticity and mechanisms of state transitions towards treatment-resistant states are needed to restrict the adaptive capacities of GBM.