Glioblastomas are incurable tumors infiltrating the brain. A subpopulation of glioblastoma cells forms a functional and therapy-resistant tumor cell network interconnected by tumor microtubes (TMs). Other subpopulations appear unconnected, and their biological role remains unclear. Here, we demonstrate that whole-brain colonization is fueled by glioblastoma cells that lack connections with other tumor cells and astrocytes yet receive synaptic input from neurons. This subpopulation corresponds to neuronal and neural-progenitor-like tumor cell states, as defined by single-cell transcriptomics, both in mouse models and in the human disease. Tumor cell invasion resembled neuronal migration mechanisms and adopted a Lévy-like movement pattern of probing the environment. Neuronal activity induced complex calcium signals in glioblastoma cells followed by the de novo formation of TMs and increased invasion speed. Collectively, superimposing molecular and functional single-cell data revealed that neuronal mechanisms govern glioblastoma cell invasion on multiple levels. This explains how glioblastoma’s dissemination and cellular heterogeneity are closely interlinked.

lnteractions between neurons and cancer cells are found in many malignancies, but their relevance for metastatic organ colonization remain largely unknown. It is also unclear whether any direct synaptic communication between neurons and cancer cells of non-neural tumor types exists, and if so, whether this can support metastasis and thus cancer progression. Here we show that excitatory synapses are formed between neurons and brain-metastatic melanoma and breast cancer cells. This starts at an early microscopic stage after extravasation into the brain parenchyma, during residence of cancer cells in the perivascular niche, a critical step for their survival. These neuron-cancer synapses showed a bona fide synaptic ultrastructure, and generated excitatory postsynaptic currents mediated by glutamate receptors of the AMPA subtype in cancer cells. In accordance, AMPA receptor signatures were consistently detected in preclinical and patient samples of melanoma and breast cancer brain metastases. Genetic perturbation and pharmacological inhibition of AMPA receptors with the approved antiepileptic drug perampanel in models of breast and melanoma cancer reduced the number of brain metastases and overall brain metastatic burden. These findings demonstrate for the first time that neurons can form biologically relevant direct synapses with non-neural cancer cells. In brain metastasis, a particularly challenging complication of many common malignancies, this non-canonical stimulatory synaptic interaction offers novel therapeutic opportunities.

Glioblastomas are heterogeneous brain tumors, notorious for their invasive behavior and resistance to therapy. Neuron-to-glioma synapses have been identified to promote glioblastoma invasion and proliferation. However, a comprehensive characterization of tumor-connected neurons has been hampered by a lack of technologies. Here, we adapted retrograde tracing with a modified rabies virus system to characterize and manipulate connected neuron-tumor networks. Glioblastoma rapidly integrated into neural circuits across the brain engaging in widespread functional communication, with acetylcholinergic and glutamatergic neurons driving glioblastoma progression. We uncovered patient-specific and tumor cell state-dependent differences in synaptogenic gene expression driving neuron-tumor connectivity and subsequent invasivity. Importantly, radiotherapy enhanced neuron-tumor connectivity by increased neuronal activity. In turn, simultaneous inhibition of AMPA receptors and radiotherapy showed increased therapeutic effects, indicative of a role for neuron-to-glioma synapses in contributing to therapeutic resistance. Lastly, rabies-mediated genetic ablation of tumor-connected neurons halted glioblastoma progression, offering a novel viral strategy to target glioblastoma. Together, this study provides a comprehensive framework for basic research and clinical translation of synaptic neuron-cancer interactions to target glioblastoma.

Abstract Intravital 2P-microscopy enables the longitudinal study of brain tumor biology in superficial mouse cortex layers. Intravital microscopy of the white matter, an important route of glioblastoma invasion and recurrence, has not been feasible, due to low signal-to-noise ratios and insufficient spatiotemporal resolution. Here, we present an intravital microscopy and artificial intelligence-based analysis workflow (Deep3P) that enables longitudinal deep imaging of glioblastoma up to a depth of 1.2 mm. We find that perivascular invasion is the preferred invasion route into the corpus callosum and uncover two vascular mechanisms of glioblastoma migration in the white matter. Furthermore, we observe morphological changes after white matter infiltration, a potential basis of an imaging biomarker during early glioblastoma colonization. Taken together, Deep3P allows for a non-invasive intravital investigation of brain tumor biology and its tumor microenvironment at subcortical depths explored, opening up opportunities for studying the neuroscience of brain tumors and other model systems.

Abstract Intravital two-photon microscopy has emerged as a powerful technology to study brain tumor biology and its temporal dynamics, including invasion, proliferation and therapeutic resistance in the superficial layers of the mouse cortex. However, intravital microscopy of deeper cortical layers and especially the subcortical white matter, an important route of glioblastoma invasion and recurrence, has not yet been feasible due to low signal-to-noise ratios, missing spatiotemporal resolution and the inability to delineate myelinated axonal tracts. Here, we present a tailored intravital microscopy and artificial intelligence-based analysis methodology and workflow that enables routine deep imaging of glioblastoma over extended time periods, named Deep3P. We show that three-photon microscopy, adaptive optics, as well as customized deep learning-based denoising and machine learning segmentation together allow for deep brain intravital investigation of tumor biology up to 1.2 mm depth. Leveraging this approach, we find that perivascular invasion is a preferred invasion route into the corpus callosum as compared to intracortical glioblastoma invasion and uncover two vascular mechanisms of glioblastoma migration in the white matter. Furthermore, we can define an imaging biomarker of white matter disruption during early glioblastoma colonization. Taken together, Deep3P allows for an efficient and non-invasive investigation of brain tumor biology and its tumor microenvironment in unprecedented deep white and gray matter of the living mouse, opening up novel opportunities for studying the neuroscience of brain tumors and other model systems.