Abstract Sprouting of developing blood vessels is mediated by specialized motile endothelial cells localized at the tips of growing capillaries. Following behind the tip cells, endothelial stalk cells form the capillary lumen and proliferate. Expression of the Notch ligand Delta-like-4 (Dll4) in tip cells suppresses tip cell fate in neighboring stalk cells via Notch signaling. In DLL4+/− mouse mutants, most retinal endothelial cells display morphologic features of tip cells. We hypothesized that these mouse mutants could be used to isolate tip cells and so to determine their genetic repertoire. Using transcriptome analysis of retinal endothelial cells isolated from DLL4+/− and wild-type mice, we identified 3 clusters of tip cell–enriched genes, encoding extracellular matrix degrading enzymes, basement membrane components, and secreted molecules. Secreted molecules endothelial-specific molecule 1, angiopoietin 2, and apelin bind to cognate receptors on endothelial stalk cells. Knockout mice and zebrafish morpholino knockdown of apelin showed delayed angiogenesis and reduced proliferation of stalk cells expressing the apelin receptor APJ. Thus, tip cells may regulate angiogenesis via matrix remodeling, production of basement membrane, and release of secreted molecules, some of which regulate stalk cell behavior.

The recent discovery of meningeal lymphatic vessels (LVs) has raised interest in their possible involvement in neuropathological processes, yet little is known about their development or maintenance. We show here that meningeal LVs develop postnatally, appearing first around the foramina in the basal parts of the skull and spinal canal, sprouting along the blood vessels and cranial and spinal nerves to various parts of the meninges surrounding the central nervous system (CNS). VEGF-C, expressed mainly in vascular smooth muscle cells, and VEGFR3 in lymphatic endothelial cells were essential for their development, whereas VEGF-D deletion had no effect. Surprisingly, in adult mice, the LVs showed regression after VEGF-C or VEGFR3 deletion, administration of the tyrosine kinase inhibitor sunitinib, or expression of VEGF-C/D trap, which also compromised the lymphatic drainage function. Conversely, an excess of VEGF-C induced meningeal lymphangiogenesis. The plasticity and regenerative potential of meningeal LVs should allow manipulation of cerebrospinal fluid drainage and neuropathological processes in the CNS.

Activin receptor-like kinase 1 (ALK1) is an endothelial-specific member of the TGF-β/BMP receptor family that is inactivated in patients with hereditary hemorrhagic telangiectasia (HHT). How ALK1 signaling regulates angiogenesis remains incompletely understood. Here we show that ALK1 inhibits angiogenesis by cooperating with the Notch pathway. Blocking Alk1 signaling during postnatal development in mice leads to retinal hypervascularization and the appearance of arteriovenous malformations (AVMs). Combined blockade of Alk1 and Notch signaling further exacerbates hypervascularization, whereas activation of Alk1 by its high-affinity ligand BMP9 rescues hypersprouting induced by Notch inhibition. Mechanistically, ALK1-dependent SMAD signaling synergizes with activated Notch in stalk cells to induce expression of the Notch targets HEY1 and HEY2, thereby repressing VEGF signaling, tip cell formation, and endothelial sprouting. Taken together, these results uncover a direct link between ALK1 and Notch signaling during vascular morphogenesis that may be relevant to the pathogenesis of HHT vascular lesions.

Patterning of functional blood vessel networks is achieved by pruning of superfluous connections. The cellular and molecular principles of vessel regression are poorly understood. Here we show that regression is mediated by dynamic and polarized migration of endothelial cells, representing anastomosis in reverse. Establishing and analyzing the first axial polarity map of all endothelial cells in a remodeling vascular network, we propose that balanced movement of cells maintains the primitive plexus under low shear conditions in a metastable dynamic state. We predict that flow-induced polarized migration of endothelial cells breaks symmetry and leads to stabilization of high flow/shear segments and regression of adjacent low flow/shear segments.

SUMMARY Blood vessels supplying tumors are often dysfunctional and generally heterogeneous. The mechanisms underlying this heterogeneity remain poorly understood. Here, using multicolor lineage tracing, in vivo time-lapse imaging and single cell RNA sequencing in a mouse glioma model, we identify tumour-specific blood endothelial cells that originate from cells expressing the receptor for colony stimulating factor 1, Csf1r , a cytokine which controls macrophage biology. These Csf1r lineage endothelial cells (CLECs) form up to 10% of the tumour vasculature and express, besides classical blood endothelial cell markers, a gene signature that is distinct from brain endothelium but shares similarities with lymphatic endothelial cell populations. in silico analysis of pan-cancer single cell RNAseq datasets highlights the presence of a comparable subpopulation in the endothelium of a wide spectrum of human tumours. We show that CLECs actively contribute to sprouting and remodeling of tumour blood vessels and that selective depletion of CLECs reduces vascular branching and tumour growth. Our findings indicate that a non-tumour resident Csf1r-positive population is recruited to tumours, differentiates into blood endothelial cells to contribute to vascularization and, thereby, tumour growth.

Abstract SLIT2 is a secreted polypeptide that guides migration of cells expressing ROBO1&2 receptors. Herein, we investigated SLIT2/ROBO signaling effects in gliomas. In patients with glioblastoma (GBM), SLIT2 expression increased with malignant progression and correlated with poor survival and immunosuppression. Knockdown of SLIT2 in mouse glioma cells and patient derived GBM xenografts reduced tumor growth and synergized with immunotherapy to prolong survival. Tumor cell SLIT2 knockdown inhibited macrophage invasion and promoted a cytotoxic gene expression profile, which improved tumor vessel function and enhanced efficacy of chemotherapy and immunotherapy. Mechanistically, SLIT2 promoted microglia/macrophage chemotaxis and tumor-supportive polarization via ROBO1&2-mediated PI3Kγ activation. Macrophage Robo1&2 deletion and systemic SLIT2 trap delivery mimicked SLIT2 knockdown effects on tumor growth and the tumor microenvironment (TME), revealing SLIT2 signaling through macrophage ROBOs as a novel regulator of the GBM microenvironment and a potential immunotherapeutic target for brain tumors.

Abstract Microtubes (MTs), cytoplasmic extensions of glioma cells, are important cell communication structures promoting invasion and treatment resistance through network formation. MTs are abundant in chemoresistant gliomas, in particular glioblastomas (GBMs), while they are uncommon in chemosensitive IDH-mutant and 1p/19q co-deleted oligodendrogliomas. To identify potential signaling pathways involved in MT formation we performed a bioinformatics analysis of TCGA data showing that the TGF-β pathway is highly activated in GBMs compared to oligodendroglial tumors. In particular we observed that signaling pathways involved in extracellular matrix organization are differentially expressed between these tumor entities. Using patient-derived GBM stem cell lines, we demonstrated that TGF-β1 stimulation promotes enhanced MT formation and communication via Calcium signaling. Inhibition of the TGF-β pathway significantly reduced MT formation and its associated invasion in vitro and in vivo . Downstream of TGF-β, we identified thrombospondin 1 (TSP1) as a potential mediator of MT formation in GBM through SMAD activation. TSP1 was upregulated upon TGF-β stimulation and enhanced MT formation, which was inhibited by TSP1 shRNAs in vitro and in vivo . In conclusion, TGF-β and its downstream mediator TSP1 are important mediators of the MT network in GBM and blocking this pathway could potentially help to break the complex MT driven invasion/ resistance network.

Fluorescence-based in-situ hybridization methods such as RNAscope technology enable highly sensitive and specific visualization of individual RNA molecules (identified as fluorescent specks) within intact cells, enabling precise spatial and cellular localization of RNA transcripts. However, manual analysis of images is time-consuming. We developed a novel, open-source, user-friendly tool to facilitate high-throughput applications for specks-like staining. The protocol seamlessly integrates automated processes, offering a universal solution for efficient transcriptomic analysis, such as, but not limited to, RNAscope in various biological contexts.

Abstract Glioblastoma (GB) remains one of the most treatment refractory and fatal tumour in humans. GB contains a population of self-renewing stem cells, the brain tumour stem cells (BTSC) that are highly resistant to therapy and are at the origin of tumour relapse. Here, we report, for the first time, that mubritinib potently impairs stemness and growth of patient-derived BTSCs harboring different oncogenic mutations. Mechanistically, by employing bioenergetic assays and rescue experiments, we provide compelling evidence that mubritinib acts on complex I of the electron transport chain to impair BTSC stemness pathways, self-renewal and proliferation. Global gene expression profiling revealed that mubritinib alters the proliferative, neural-progenitor-like, and the cell-cycling state signatures. We employed in vivo pharmacokinetic assays to establish that mubritinib crosses the blood-brain barrier. Using preclinical models of patient-derived and syngeneic murine orthotopic xenografts, we demonstrated that mubritinib delays GB tumourigenesis, and expands lifespan of animals. Interestingly, its combination with radiotherapy offers survival advantage to animals. Strikingly, thorough toxicological and behavioral studies in mice revealed that mubritinib does not induce any damage to normal cells and has a well-tolerated and safe profile. Our work warrants further exploration of this drug in in-human clinical trials for better management of GB tumours.