Purpose The prognosis for patients with recurrent glioblastoma multiforme is poor, with a median survival of 3 to 6 months. We performed a phase II trial of bevacizumab, a monoclonal antibody to vascular endothelial growth factor, in combination with irinotecan. Patients and Methods This phase II trial included two cohorts of patients. The initial cohort, comprising 23 patients, received bevacizumab at 10 mg/kg plus irinotecan every 2 weeks. The dose of irinotecan was based on the patient's anticonvulsant: Patients taking enzyme-inducing antiepileptic drugs (EIAEDs) received 340 mg/m 2 , and patients not taking EIAEDs received 125 mg/m 2 . After this regimen was deemed safe and effective, the irinotecan schedule was changed to an accepted brain tumor regimen of four doses in 6 weeks, in anticipation of a phase III randomized trial of irinotecan versus irinotecan and bevacizumab. The second cohort, comprising 12 patients, received bevacizumab 15 mg/kg every 21 days and irinotecan on days 1, 8, 22, and 29. Each cycle was 6 weeks long and concluded with patient evaluations, including magnetic resonance imaging. Results The 6-month progression-free survival among all 35 patients was 46% (95% CI, 32% to 66%). The 6-month overall survival was 77% (95% CI, 64% to 92%). Twenty of the 35 patients (57%; 95% CI, 39% to 74%) had at least a partial response. One patient developed a CNS hemorrhage, which occurred in his 10th cycle. Four patients developed thromboembolic complications (deep venous thrombosis and/or pulmonary emboli). Conclusion Bevacizumab and irinotecan is an effective treatment for recurrent glioblastoma multiforme and has moderate toxicity.

Malignant gliomas are highly lethal cancers dependent on angiogenesis. Critical tumor subpopulations within gliomas share characteristics with neural stem cells. We examined the potential of stem cell-like glioma cells (SCLGC) to support tumor angiogenesis. SCLGC isolated from human glioblastoma biopsy specimens and xenografts potently generated tumors when implanted into the brains of immunocompromised mice, whereas non-SCLGC tumor cells isolated from only a few tumors formed secondary tumors when xenotransplanted. Tumors derived from SCLGC were morphologically distinguishable from non-SCLGC tumor populations by widespread tumor angiogenesis, necrosis, and hemorrhage. To determine a potential molecular mechanism for SCLGC in angiogenesis, we measured the expression of a panel of angiogenic factors secreted by SCLGC. In comparison with matched non-SCLGC populations, SCLGC consistently secreted markedly elevated levels of vascular endothelial growth factor (VEGF), which were further induced by hypoxia. In an in vitro model of angiogenesis, SCLGC-conditioned medium significantly increased endothelial cell migration and tube formation compared with non-SCLGC tumor cell-conditioned medium. The proangiogenic effects of glioma SCLGC on endothelial cells were specifically abolished by the anti-VEGF neutralizing antibody bevacizumab, which is in clinical use for cancer therapy. Furthermore, bevacizumab displayed potent antiangiogenic efficacy in vivo and suppressed growth of xenografts derived from SCLGC but limited efficacy against xenografts derived from a matched non-SCLGC population. Together these data indicate that stem cell-like tumor cells can be a crucial source of key angiogenic factors in cancers and that targeting proangiogenic factors from stem cell-like tumor populations may be critical for patient therapy.

Glioblastomas are lethal cancers characterized by florid angiogenesis promoted in part by glioma stem cells (GSCs). Because hypoxia regulates angiogenesis, we examined hypoxic responses in GSCs. We now demonstrate that hypoxia-inducible factor HIF2α and multiple HIF-regulated genes are preferentially expressed in GSCs in comparison to non-stem tumor cells and normal neural progenitors. In tumor specimens, HIF2α colocalizes with cancer stem cell markers. Targeting HIFs in GSCs inhibits self-renewal, proliferation, and survival in vitro, and attenuates tumor initiation potential of GSCs in vivo. Analysis of a molecular database reveals that HIF2A expression correlates with poor glioma patient survival. Our results demonstrate that GSCs differentially respond to hypoxia with distinct HIF induction patterns, and HIF2α might represent a promising target for antiglioblastoma therapies.

Abstract Purpose: Recurrent grade III-IV gliomas have a dismal prognosis with minimal improvements in survival seen following currently available salvage therapy. This study was conducted to determine if the combination of a novel antiangiogenic therapy, bevacizumab, and a cytotoxic agent, irinotecan, is safe and effective for patients with recurrent grade III-IV glioma. Experimental Design: We conducted a phase II trial of bevacizumab and irinotecan in adults with recurrent grade III-IV glioma. Patients with evidence of intracranial hemorrhage on initial brain magnetic resonance imaging were excluded. Patients were scheduled to receive bevacizumab and irinotecan i.v. every 2 weeks of a 6-week cycle. Bevacizumab was administered at 10 mg/kg. The dose of irinotecan was determined based on antiepileptic use: patients taking enzyme-inducing antiepileptic drugs received 340 mg/m2, whereas patients not taking enzyme-inducing antiepileptic drugs received 125 mg/m2. Toxicity and response were assessed. Results: Thirty-two patients were assessed (23 with grade IV glioma and 9 with grade III glioma). Radiographic responses were noted in 63% (20 of 32) of patients (14 of 23 grade IV patients and 6 of 9 grade III patients). The median progression-free survival was 23 weeks for all patients (95% confidence interval, 15-30 weeks; 20 weeks for grade IV patients and 30 weeks for grade III patients). The 6-month progression-free survival probability was 38% and the 6-month overall survival probability was 72%. No central nervous system hemorrhages occurred, but three patients developed deep venous thromboses or pulmonary emboli, and one patient had an arterial ischemic stroke. Conclusions: The combination of bevacizumab and irinotecan is an active regimen for recurrent grade III-IV glioma with acceptable toxicity.

Glioblastomas (GBMs) are highly vascular and lethal brain tumors that display cellular hierarchies containing self-renewing tumorigenic glioma stem cells (GSCs). Because GSCs often reside in perivascular niches and may undergo mesenchymal differentiation, we interrogated GSC potential to generate vascular pericytes. Here, we show that GSCs give rise to pericytes to support vessel function and tumor growth. In vivo cell lineage tracing with constitutive and lineage-specific fluorescent reporters demonstrated that GSCs generate the majority of vascular pericytes. Selective elimination of GSC-derived pericytes disrupts the neovasculature and potently inhibits tumor growth. Analysis of human GBM specimens showed that most pericytes are derived from neoplastic cells. GSCs are recruited toward endothelial cells via the SDF-1/CXCR4 axis and are induced to become pericytes predominantly by transforming growth factor β. Thus, GSCs contribute to vascular pericytes that may actively remodel perivascular niches. Therapeutic targeting of GSC-derived pericytes may effectively block tumor progression and improve antiangiogenic therapy.

Tumour-associated macrophages (TAMs) are enriched in glioblastoma multiformes (GBMs) that contain glioma stem cells (GSCs) at the apex of their cellular hierarchy. The correlation between TAM density and glioma grade suggests a supportive role for TAMs in tumour progression. Here we interrogated the molecular link between GSCs and TAM recruitment in GBMs and demonstrated that GSCs secrete periostin (POSTN) to recruit TAMs. TAM density correlates with POSTN levels in human GBMs. Silencing POSTN in GSCs markedly reduced TAM density, inhibited tumour growth, and increased survival of mice bearing GSC-derived xenografts. We found that TAMs in GBMs are not brain-resident microglia, but mainly monocyte-derived macrophages from peripheral blood. Disrupting POSTN specifically attenuated the tumour-supportive M2 type of TAMs in xenografts. POSTN recruits TAMs through the integrin αvβ3 as blocking this signalling by an RGD peptide inhibited TAM recruitment. Our findings highlight the possibility of improving GBM treatment by targeting POSTN-mediated TAM recruitment. Bao and colleagues report that glioblastoma cancer stem cells produce periostin, which in turn recruits tumour-associated macrophages to the tumour site to foster growth.

Glioblastomas are highly lethal cancers that contain cellular hierarchies with self-renewing cancer stem cells that can propagate tumors in secondary transplant assays. The potential significance of cancer stem cells in cancer biology has been demonstrated by studies showing contributions to therapeutic resistance, angiogenesis, and tumor dispersal. We recently reported that physiologic oxygen levels differentially induce hypoxia inducible factor-2α (HIF2α) levels in cancer stem cells. HIF1α functioned in proliferation and survival of all cancer cells but also was activated in normal neural progenitors suggesting a potentially restricted therapeutic index while HIF2α was essential in only in cancer stem cells and was not expressed by normal neural progenitors demonstrating HIF2α is a cancer stem cell specific target. We now extend these studies to examine the role of hypoxia in regulating tumor cell plasticity. We find that hypoxia promotes the self-renewal capability of the stem and non-stem population as well as promoting a more stem-like phenotype in the non-stem population with increased neurosphere formation as well as upregulation of important stem cell factors, such as OCT4, NANOG, and c-MYC. The importance of HIF2α was further supported as forced expression of non-degradable HIF2α induced a cancer stem cell marker and augmented the tumorigenic potential of the non-stem population. This novel finding may indicate a specific role of HIF2α in promoting glioma tumorigenesis. The unexpected plasticity of the non-stem glioma population and the stem-like phenotype emphasizes the importance of developing therapeutic strategies targeting the microenvironmental influence on the tumor in addition to cancer stem cells.

Purpose To evaluate the efficacy and tolerability of gefitinib (ZD1839, Iressa; AstraZeneca, Wilmington, DE), a novel epidermal growth factor receptor tyrosine kinase inhibitor, in patients with recurrent glioblastoma. Patients and Methods This was an open-label, single-center phase II trial. Fifty-seven patients with first recurrence of a glioblastoma who were previously treated with surgical resection, radiation, and usually chemotherapy underwent an open biopsy or resection at evaluation for confirmation of tumor recurrence. Each patient initially received 500 mg of gefitinib orally once daily; dose escalation to 750 mg then 1,000 mg, if a patient received enzyme-inducing antiepileptic drugs or dexamethasone, was allowed within each patient. Results Although no objective tumor responses were seen among the 53 assessable patients, only 21% of patients (11 of 53 patients) had measurable disease at treatment initiation. Seventeen percent of patients (nine of 53 patients) underwent at least six 4-week cycles, and the 6-month event-free survival (EFS) was 13% (seven of 53 patients). The median EFS time was 8.1 weeks, and the median overall survival (OS) time from treatment initiation was 39.4 weeks. Adverse events were generally mild (grade 1 or 2) and consisted mainly of skin reactions and diarrhea. Drug-related toxicities were more frequent at higher doses. Withdrawal caused by drug-related adverse events occurred in 6% of patients (three of 53 patients). Although the presence of diarrhea positively predicted favorable OS from treatment initiation, epidermal growth factor receptor expression did not correlate with either EFS or OS. Conclusion Gefitinib is well tolerated and has activity in patients with recurrent glioblastoma. Further study of this agent at higher doses is warranted.

Summary

 Glioblastoma multiforme (GBM) displays cellular hierarchies harboring a subpopulation of stem-like cells (GSCs). Enhancer of Zeste Homolog 2 (EZH2), the lysine methyltransferase of Polycomb repressive complex 2, mediates transcriptional repression of prodifferentiation genes in both normal and neoplastic stem cells. An oncogenic role of EZH2 as a transcriptional silencer is well established; however, additional functions of EZH2 are incompletely understood. Here, we show that EZH2 binds to and methylates STAT3, leading to enhanced STAT3 activity by increased tyrosine phosphorylation of STAT3. The EZH2-STAT3 interaction preferentially occurs in GSCs relative to non-stem bulk tumor cells, and it requires a specific phosphorylation of EZH2. Inhibition of EZH2 reverses the silencing of Polycomb target genes and diminishes STAT3 activity, suggesting therapeutic strategies.