Accurate pathological diagnosis is crucial for optimal management of patients with cancer. For the approximately 100 known tumour types of the central nervous system, standardization of the diagnostic process has been shown to be particularly challenging-with substantial inter-observer variability in the histopathological diagnosis of many tumour types. Here we present a comprehensive approach for the DNA methylation-based classification of central nervous system tumours across all entities and age groups, and demonstrate its application in a routine diagnostic setting. We show that the availability of this method may have a substantial impact on diagnostic precision compared to standard methods, resulting in a change of diagnosis in up to 12% of prospective cases. For broader accessibility, we have designed a free online classifier tool, the use of which does not require any additional onsite data processing. Our results provide a blueprint for the generation of machine-learning-based tumour classifiers across other cancer entities, with the potential to fundamentally transform tumour pathology.

Glioblastomas display hierarchies with self-renewing cancer stem-like cells (CSCs). RNA sequencing and enhancer mapping revealed regulatory programs unique to CSCs causing upregulation of the iron transporter transferrin, the top differentially expressed gene compared with tissue-specific progenitors. Direct interrogation of iron uptake demonstrated that CSCs potently extract iron from the microenvironment more effectively than other tumor cells. Systematic interrogation of iron flux determined that CSCs preferentially require transferrin receptor and ferritin, two core iron regulators, to propagate and form tumors in vivo. Depleting ferritin disrupted CSC mitotic progression, through the STAT3-FoxM1 regulatory axis, revealing an iron-regulated CSC pathway. Iron is a unique, primordial metal fundamental for earliest life forms, on which CSCs have an epigenetically programmed, targetable dependence.

Abstract Background Glioblastoma (GBM) is marked by cellular heterogeneity, including metabolic heterogeneity, that varies among cellular microenvironments in the same tumor. Altered cellular metabolism in cancer is well-established, but how lipid metabolism is altered to suit different microenvironmental conditions and cellular states within a tumor remains unexplored. Methods We assessed GBM organoid models that mimic the transition zone between nutrient-rich and nutrient-poor pseudopalisading/perinecrotic tumor zones and performed spatial RNA-sequencing of cells to interrogate lipid metabolism. Using targeted lipidomic analysis, we assessed differences in acutely enriched cancer stem cells (CSCs) and non-CSCs from multiple patient-derived models to explore the link between the stem cell state and lipid metabolism. Results Spatial analysis revealed a striking difference in lipid content between microenvironments, with lipid enrichment in the hypoxic organoid cores and the perinecrotic and pseudopalisading regions of primary patient tumors. This was accompanied by regionally restricted upregulation of hypoxia-inducible lipid droplet-associated (HILPDA) gene expression in organoid cores and in clinical GBM specimens, but not lower-grade brain tumors, that was specifically localized to pseudopalisading regions of patient tumors. CSCs have low lipid droplet accumulation compared to non-CSCs in organoid models and xenograft tumors, and prospectively sorted lipid-low GBM cells are functionally enriched for stem cell activity. Targeted lipidomic analysis revealed that CSCs had decreased levels of major classes of neutral lipids compared to non-CSCs but had significantly increased polyunsaturated fatty acid production due to high fatty acid desaturase (FADS1/2) expression. Conclusions Our data demonstrate that lipid metabolism is differentially altered across GBM microenvironments and cellular hierarchies, providing guidance for targeting of these altered lipid metabolic pathways. Key points GBM cells in nutrient-poor tumor regions have increased accumulation of lipid droplets. CSCs have reduced lipid content compared to non-CSCs. GBM CSCs and non-CSCs have disparate lipid metabolisms that may be uniquely targetable. Importance of the Study Metabolic targeting has long been advocated as a therapy against many tumors including GBM, and it remains an outstanding question whether cancer stem cells (CSCs) have altered lipid metabolism. We demonstrated striking differences in lipid metabolism between diverse cell populations from the same patient. These spatially and phenotypically distinct lipid phenotypes occur clinically in the majority of patients and can be recapitulated in laboratory models. Lipidomic analysis of multiple patient-derived models shows a significant shift in lipid metabolism between GBM CSCs and non-CSCs, suggesting that lipid levels may not be simply a product of the microenvironment but also may be a reflection of cellular state. Our results suggest that therapeutic targeting of GBM lipid metabolism must consider multiple separate tumor cell populations to be effective, and we provide a methodologic framework for studying these metabolically diverse cellular populations.

Glioblastomas (GBM) are renowned for their pronounced intratumoral heterogeneity, characterized by a diverse array of plastic cell types, which poses a significant challenge to effective targeting and treatment. Recent research has documented the presence of neuronal-progenitor-like transcriptomic cell states of GBM, notably in the leading edge of the tumor, where synaptic input from adjacent neurons drives disease proliferation. However, conflicting observations regarding GBM cell excitability, ranging from non-excitable to neuron-like excitability, add complexity to our comprehension of the pathophysiological diversity of GBM cells. Here we established a novel experimental workflow enabling comprehensive and selective investigation of the electrophysiological characteristics of cancer cells and neurons within cancer-infiltrated organotypic tissue specimens from GBM patients, using viral genetic labelling to target cellular subtypes. We observed that GBM cells exhibit distinct electrophysiological features in humans, characterized by hyperexcitability and neuron-like action potential generation. Our research provides direct evidence of excitability and a comprehensive description of the electrophysiological characteristics of GBM cells in the cancer-infiltrated cortex of humans, contributing to a deeper understanding of the cellular biology of GBM. These insights have broader implications for understanding cell-cell interactions in malignant tumors and could inform targeted therapies across diverse cancer types, offering a new lens for tackling tumor heterogeneity.

Abstract Background Glioblastoma (GBM) tumor cells modulate expression of iron-associated genes to enhance iron uptake from the surrounding microenvironment, driving proliferation and tumor growth. The homeostatic iron regulator ( HFE ) gene, encoding the iron sensing HFE protein, is upregulated in GBM and correlates with poor survival outcomes. However, the molecular mechanisms underlying these observations remain unclear. Identification of pathways for targeting iron dependence in GBM tumors is therefore a critical area of investigation. Methods We interrogated the impact of cell-intrinsic Hfe expression on proliferation and tumor growth through genetic loss and gain of function approaches in syngeneic mouse glioma models. We determined the expression of iron-associated genes and their relationship with survival in GBM using public datasets and identified differentially expressed pathways in Hfe knockdown cells through Nanostring transcriptional profiling. Results Loss of Hfe induced apoptotic cell death in vitro and inhibited tumor growth in vivo while overexpression of Hfe accelerated both proliferation and tumor growth. Analysis of iron gene signatures in Hfe knockdown cells revealed alterations in the expression of several iron-associated genes, suggesting global disruption of intracellular iron homeostasis. Analyzing differentially expressed pathways further identified oxidative stress as the top pathway upregulated with Hfe loss. Enhanced 55 Fe uptake and generation of reactive oxygen species (ROS) were found with Hfe knockdown, implicating toxic iron overload resulting in apoptotic cell death. Conclusions Collectively, these findings identify a novel role for HFE in regulating iron homeostasis in GBM tumors and provide a potential avenue for future therapeutic development. Key Points HFE is an iron sensor that is upregulated in GBM and negatively impacts survival. HFE overexpression drives proliferation and tumor growth in vivo . Loss of HFE increases production of reactive oxygen species and induces apoptosis, extending survival in vivo . Importance of Study Dysregulation of iron metabolism is an important feature of GBM contributing to tumor growth and negatively impacting survival. The identification of key iron regulators controlling this process is therefore important for therapeutic targeting. We identify HFE as an important regulator of iron homeostasis in GBM and suggest a role for sexual dimorphism in HFE-mediated tumor iron regulation that ultimately results in differential survival outcomes. Our findings demonstrate that HFE drives tumor cell proliferation and survival in GBM and may be a viable target for modulating tumor iron flux and inducing apoptosis in tumor cells.

Abstract Glioblastoma undergoes a complex and dynamic evolution involving genetic and epigenetic changes. Understanding the mechanisms underlying this evolution is vital for the development of efficient therapeutic strategies. Although treatment resistance is associated with intratumoral heterogeneity in glioblastoma, it remains uncertain whether hypometabolic and hypermetabolic lesions observed through positron emission tomography (PET) imaging are influenced by spatial intratumoral genomic evolution. In this study, we precisely isolated autologous hypometabolic and hypermetabolic lesions from glioblastoma using advanced neurosurgical and brain tumor imaging technologies, followed by comprehensive whole-genome exome and transcriptome analyses. Our findings revealed that hypermetabolic lesions evolved from hypometabolic lesions, harbored shrewd focal amplifications and deletions, and exhibited a higher frequency of critical genomic alterations linked to increased aggressiveness, upregulated APOBEC3 and hypoxic genes, and downregulated putative tumor suppressors. This study highlights spatial genomic evolution with diagnostic implications and unveils the obstacles and possibilities that should be considered in the development of novel therapeutic strategies. Statement of significance: Glioblastoma is a multifaceted disease that is difficult to treat, and insights into the metabolic gradient observed in imaging and the underlying role of genomic evolution are lacking. This study is the first to investigate the molecular basis of hypermetabolic tumor lesions in glioblastoma using precise three-dimensional biopsy isolation, whole genome/exome, and mRNA sequencing. These findings have diagnostic significance, provide insights into therapeutic resistance, and shed light on the obstacles encountered by precision therapeutics for glioblastoma.

Glioblastoma (GBM) remains uniformly lethal, and, despite a large accumulation of immune cells in the microenvironment, there is limited anti-tumor immune response, even with newly developed immune checkpoint therapies. To overcome these challenges and enhance the efficacy of immunotherapies, a comprehensive understanding of the immune system in GBM and changes during disease progression is required. Here, we integrated multi-parameter flow cytometry and mass cytometry time of flight (CyTOF) analysis of patient blood to determine changes in the immune system among tumor types and over disease progression. Utilizing multi-parameter flow cytometry analysis in a cohort of over 250 patients with brain tumors ranging from benign to malignant primary and metastatic, we found that GBM patients had a significant elevation in myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) in blood, but not immunosuppressive T regulatory cells. We validated these findings in GBM patient tissue and found that increased numbers of MDSCs in recurrent GBM portended poor prognosis. CyTOF analysis of peripheral blood from a cohort of newly diagnosed GBM patients revealed that reduction in MDSC frequency over time is accompanied by a concomitant increase in dendritic cells and natural killer cells. This reduced MDSC profile was present in GBM patients with extended survival and was similar to that of low-grade glioma (LGG) patients. Our findings provide a rationale for developing strategies to target MDSCs, which are elevated in GBM patients and predict poor prognosis, either by directly targeting or by shifting the immune profile to induce differentiation toward the immune profile of LGGs.

Abstract Glioblastomas (GBM) are known for their significant intratumor heterogeneity, featuring a variety of plastic cell types that make effective treatment challenging. Recent studies have shown that neuronal-progenitor-like transcriptomic cell states at the leading edge of the tumor receive synaptic input from nearby neurons, which drives disease proliferation. However, the excitability of GBM cells remains controversial, with observations ranging from non-excitable to neuron-like excitability, complicating our understanding of their pathophysiology. In this study, we developed a novel experimental approach to study glioblastoma cells in both acute and cultured brain slices infiltrated with cancer from GBM patients. Using an adeno-associated virus for gene delivery, we selectively expressed fluorescent proteins in specific cell types. Fluorescence-guided whole-cell patch-clamp recordings were then used to analyze the electrophysiological properties of GBM cells and neurons within the tumor microenvironment. Our findings show that GBM cells have distinct electrophysiological properties, including a depolarized resting membrane potential (-31.95 ± 2.18 mV, n = 55 cells) and high membrane resistance (1.27 ± 0.19 GΩ, n = 62 cells). Approximately 56% of GBM cells at the tumor’s leading edge exhibited neuron-like excitability, generating aberrant action potentials (aAPs) upon depolarization. Collectively, our study provides direct evidence of the intrinsic excitability of GBM cells and a detailed characterization of their electrophysiological properties in the cancer-infiltrated human cortex. These insights shed new light on tumor heterogeneity and cell-cell interactions in glioblastoma, potentially guiding the development of targeted therapies.

Asymmetric cell division (ACD) enables the maintenance of a stem cell population while simultaneously generating differentiated progeny. Cancer stem cells (CSCs) undergo multiple modes of cell division during tumor expansion and in response to therapy, yet the functional consequences of these division modes remain to be determined. Using a fluorescent reporter for cell surface receptor distribution during mitosis, we found that ACD in glioblastoma CSCs generated a daughter cell with enhanced therapeutic resistance and increased co-inheritance of epidermal growth factor receptor (EGFR) and neurotrophin receptor (p75NTR). Stimulation of both receptors maintained self-renewal under differentiation conditions. While p75NTR knockdown did not compromise CSC maintenance, therapeutic efficacy of EGFR inhibition was enhanced, indicating that co-inheritance of p75NTR and EGFR promotes resistance to EGFR inhibition through a redundant mechanism. These data demonstrate that ACD produces progeny with co-enriched growth factor receptors, which contributes to the generation of a more therapeutically resistant CSC population.

Glioblastoma is the most common primary brain tumor in adults, characterized by an inherent aggressivity and resistance to treatment leading to poor prognoses. While some resistance mechanisms have been elucidated, a deeper understanding of these mechanisms is needed to increase therapeutic efficacy. In this study we first discovered glial-cell derived neurotrophic factor (GDNF) to be upregulated in patient-derived glioblastoma spheroid cultures after chemotherapeutic temozolomide treatment, through RNA-Seq experiments. Therefore, we investigated the role of the GDNF/GDNF receptor alpha 1 (GFRA1) signaling pathway as a resistance mechanism to chemotherapy with temozolomide and lomustine, as well as irradiation using patient-derived glioblastoma spheroid cultures. With qPCR experiments we showed a consistent upregulation of GDNF and its primary receptor GFRA1 following all three lines of treatment. Moreover, CRISPR/Cas9 knock-outs of GDNF in two patient-derived models sensitized these cells to chemotherapy treatment, but not radiotherapy. The increased sensitivity was completely reversed by the addition of exogeneous GDNF, confirming the key role of this factor in chemoresistance. Finally, a CRISPR KO of GFRA1 demonstrated a similar increased sensitivity to temozolomide and lomustine treatment, as well as radiotherapy. Together, our findings support the role of the GDNF/GFRA1 signaling pathway in glioblastoma chemo and radioresistance.