Abstract A wide range of neurological manifestations have been associated with the development of COVID-19 following SARS-CoV-2 infection. However, the etiology of the neurological symptomatology is still largely unexplored. Here, we used state-of-the-art multiplexed immunostaining of human brains ( n = 6 COVID-19, median age = 69,5 years; and n = 7 control, median age = 68 years), and demonstrated that expression of the SARS-CoV-2 receptor ACE2 is restricted to a subset of neurovascular pericytes. Strikingly, neurological symptoms were exclusive to, and ubiquitous in, patients that exhibited moderate to high ACE2 expression in peri-vascular cells. Viral particles were identified in the vascular wall and paralleled by peri-vascular inflammation, as signified by T cell and macrophage infiltration. Furthermore, fibrinogen leakage indicated compromised integrity of the blood-brain barrier. Notably, cerebrospinal fluid from an additional 16 individuals ( n = 8 COVID-19, median age = 67 years; and n = 8 control, median age = 69,5 years) exhibited significantly lower levels of the pericyte marker PDGFRβ in SARS-CoV-2-infected cases, indicative of disrupted pericyte homeostasis. We conclude that pericyte infection by SARS-CoV-2 underlies virus entry into the privileged central nervous system space, as well as neurological symptomatology due to peri-vascular inflammation and a locally compromised blood-brain barrier.

Abstract Glioblastoma (GBM) is the most aggressive form of glioma with a high rate of relapse despite intensive treatment. Tumor recurrence is tightly linked to radio-resistance, which in turn is associated with hypoxia. Here, we discovered a strong link between hypoxia and local complement signaling using publicly available bulk, single cell, and spatially resolved transcriptomic data from human GBM patients. Complement component 3 ( C3 ) and the receptor C3AR1 were both associated with aggressive disease and shorter survival in human glioma. In a genetically engineered mouse model of GBM, we found C3 specifically in hypoxic tumor areas. In vitro, we found an oxygen level-dependent increase in C3 and C3AR1 expression in response to hypoxia in several GBM and stromal cell types. Presence of C3 increased proliferation of GBM cells under hypoxic conditions, as well as clonal survival of GBM cells following radiation. Targeting C3aR using the antagonist SB290157 decreased GBM cell self-renewal in vitro, and prolonged survival of glioma bearing mice both alone and in combination with radiotherapy while reducing the number of M2-polarized macrophages. Our findings establish a strong link between hypoxia and complement pathways in GBM, and support a role of hypoxia-induced C3a-C3aR signaling as a contributor to glioma aggressiveness.

The biology centered around the TGF-β type I receptor ALK1 (encoded by ACVRL1 ) has been almost exclusively based on its reported endothelial expression pattern since its first functional characterization more than two decades ago. Here, in efforts to better define the therapeutic context in which to use ALK1 inhibitors, we uncover a population of tumor-associated macrophages (TAMs) that, by virtue of their unanticipated Acvrl1 expression, are effector targets for adjuvant anti-angiogenic immunotherapy in mouse models of metastatic breast cancer. The combinatorial benefit depended on ALK1-mediated modulation of the differentiation potential of bone marrow-derived granulocyte-macrophage progenitors, the release of CD14 + monocytes into circulation, and their eventual extravasation. Notably, ACVRL1 + TAMs coincided with an immunosuppressive phenotype, and were over-represented in human cancers progressing on therapy. Accordingly, breast cancer patients with a prominent ACVRL1 hi TAM signature exhibited a significantly shorter survival. In conclusion, we shed light on an unexpected multimodal regulation of tumorigenic phenotypes by ALK1 and demonstrate its utility as a target for anti-angiogenic immunotherapy.

Glioblastoma (GBM) is characterized by fast progression, an infiltrative growth pattern, and a high rate of relapse. A defining feature of GBM is the existence of spatially and functionally distinct cellular niches, i.e. a hypoxic niche, a leading-edge niche, and a perivascular niche, in which malignant cells engage in paracrine crosstalk with cell types comprising the tumor microenvironment. Here, by analysis of single cell transcriptomic data of human GBM and transgenic mouse models of GBM, we unexpectedly identified pericytes, mural cells intimately associated with the endothelium, as the most active paracrine signaling hub within the tumor parenchyma. Exclusive signaling axes emanating from pericytes were received by endothelial cells, malignant cells, astrocytes, and immune cells. Depletion of pericytes through genetic engineering in several different transgenic and orthotopic mouse models of GBM demonstrated accelerated tumor progression, a disrupted blood brain-barrier, and premature death of pericyte poor mice. Mechanistic studies revealed that pericyte deficiency altered the cellular composition of GBM, remodeled the endothelium, and impacted on the immune cell landscape, exacerbating tumor cell invasion and immune suppression. Specifically, endothelial cells deprived of pericyte association altered their signaling programs, which in turn attracted perivascular, tumor-associated macrophages polarized towards an immunesuppressive phenotype. The recruited macrophages expressed Hepatocyte Growth Factor (HGF), which reinforced activation of its receptor tyrosine kinase MET on GBM cells harboring an extreme mesenchymal subtype driven by the key phenotypic regulator Fosl1 within hypoxic regions. Indeed, orthotopic implantation of isolated, MET-expressing GBM cells corroborated their superior tumor-initiating capability and invasive phenotype. In patients, low expression of a pericyte core gene signature was reduced in recurrent GBM, compared to primary tumors. Consistently, gene signatures for transcriptional programs of Fosl1+Met+ GBM cells were indicative of poor survival in human tumors, and spatial transcriptomics corroborated their superior invasive capacity. Taken together, we infer that the pericyte represents a critical modulator of GBM development by orchestrating a tumor-suppressive microenvironment; our findings thus highlight the importance of pericyte preservation in the face of current and future GBM therapies.