A recently identified chemokine, fractalkine, is a member of the chemokine gene family, which consists principally of secreted, proinflammatory molecules. Fractalkine is distinguished structurally by the presence of a CX3C motif as well as transmembrane spanning and mucin-like domains and shows atypical constitutive expression in a number of nonhematopoietic tissues, including brain. We undertook an extensive characterization of this chemokine and its receptor CX3CR1 in the brain to gain insights into use of chemokine-dependent systems in the central nervous system. Expression of fractalkine in rat brain was found to be widespread and localized principally to neurons. Recombinant rat CX3CR1, as expressed in Chinese hamster ovary cells, specifically bound fractalkine and signaled in the presence of either membrane-anchored or soluble forms of fractalkine protein. Fractalkine stimulated chemotaxis and elevated intracellular calcium levels of microglia; these responses were blocked by anti-CX3CR1 antibodies. After facial motor nerve axotomy, dramatic changes in the levels of CX3CR1 and fractalkine in the facial nucleus were evident. These included increases in the number and perineuronal location of CX3CR1-expressing microglia, decreased levels of motor neuron-expressed fractalkine mRNA, and an alteration in the forms of fractalkine protein expressed. These data describe mechanisms of cellular communication between neurons and microglia, involving fractalkine and CX3CR1, which occur in both normal and pathological states of the central nervous system.

Endothelium-derived relaxing factor (EDRF), identified as nitric oxide (NO), is derived from a guanidino nitrogen of L-arginine via its metabolism by nitric oxide synthase (NOS). Herein, we report the molecular cloning of a cDNA encoding the constitutive calcium-calmodulin (Ca2+/CaM)-regulated nitric oxide synthase (ECNOS). A full-length ECNOS clone was isolated by screening a bovine aortic endothelial cell cDNA library using a fragment of rat brain NOS (bNOS) cDNA. This cDNA has an open reading frame of 3615 nucleotides encoding a 1205-amino acid protein. Membranes prepared from COS cells transfected with the ECNOS cDNA demonstrated NADPH- and Ca2+/CaM- dependent conversion of L-, but not D-, arginine to NO and citrulline that was inhibited by NG-nitro-L-arginine methyl ester. Comparison of the deduced amino acid sequence of ECNOS to the bNOS and macrophage NOS (Mac-NOS) sequences revealed 57 and 50% identity, respectively. In addition, ECNOS contains a unique N-myristylation consensus sequence (not shared by bNOS or Mac-NOS) that may explain its membrane localization.

Microglia have neuroprotective capacities, yet chronic activation can promote neurotoxic inflammation. Neuronal fractalkine (FKN), acting on CX3CR1, has been shown to suppress excessive microglia activation. We found that disruption in FKN/CX3CR1 signaling in young adult rodents decreased survival and proliferation of neural progenitor cells through IL-1β. Aged rats were found to have decreased levels of hippocampal FKN protein; moreover, interruption of CX3CR1 function in these animals did not affect neurogenesis. The age-related loss of FKN could be restored by exogenous FKN reversing the age-related decrease in hippocampal neurogenesis. There were no measureable changes in young animals by the addition of exogenous FKN. The results suggest that FKN/CX3CR1 signaling has a regulatory role in modulating hippocampal neurogenesis via mechanisms that involve indirect modification of the niche environment. As elevated neuroinflammation is associated with many age-related neurodegenerative diseases, enhancing FKN/CX3CR1 interactions could provide an alternative therapeutic approach to slow age-related neurodegeneration.

Significance Standard of care for glioblastoma (GBM) results in median survival of <15 mo with 5-y survival <10%, highlighting the need for novel treatments. Immune checkpoint blockade has been successful in various cancer subtypes. However, success has not extended to GBM, largely due to the characteristically immune-suppressive glioma microenvironment. Here, we report targeting of myeloid derived suppressor cells (MDSCs), via inhibition of CCR2, unmasks efficacy of checkpoint blockade in GBM. Using checkpoint inhibitor-resistant murine glioma models, we show combination treatment reduces MDSCs and increases functional T cells within the tumors, and significantly extends overall survival. Our results support targeting of CCR2-expressing myeloid cells to enhance immunotherapies for GBM, and warrant translation of this approach to early human clinical trials.

Abstract Glioblastoma (GBM) is the most common and malignant primary brain tumor, resulting in poor survival despite aggressive therapies. GBM is characterized in part by a highly heterogeneous and immunosuppressive tumor microenvironment (TME) made up predominantly of infiltrating peripheral immune cells. One significant immune cell type that contributes to glioma immune evasion is a population of immunosuppressive, hematopoietic cells, termed myeloid-derived suppressor cells (MDSCs). Previous studies suggest that a potent subset of myeloid cells, expressing monocytic (M)-MDSC markers, distinguished by dual expression of chemokine receptors CCR2 and CX3CR1, utilize CCR2 to infiltrate into the TME. This study evaluated the T cell suppressive function and migratory properties of CCR2 + /CX3CR1 + MDSCs. Bone marrow-derived CCR2 + /CX3CR1 + cells adopt an immune suppressive cell phenotype when cultured with glioma-derived factors. Recombinant and glioma-derived CCL2 and CCL7 induce the migration of CCR2 + /CX3CR1 + MDSCs with similar efficacy. KR158B-CCL2 and -CCL7 knockdown murine gliomas contain equivalent percentages of CCR2 + /CX3CR1 + MDSCs compared to KR158B gliomas. Combined neutralization of CCL2 and CCL7 completely blocks CCR2-expressing cell migration to KR158B cell conditioned media. High levels of CCL2 and CCL7 are also associated with negative prognostic outcomes in GBM patients. These data provide a more comprehensive understanding of the function of CCR2 + /CX3CR1 + MDSCs and the role of CCL2 and CCL7 in the recruitment of these immune suppressive cells and further support the significance of targeting this chemokine axis in GBM.

New agents are needed that selectively kill cancer cells without harming normal tissues. The TRAIL ligand and its receptors, DR5 and DR4, exhibit cancer-selective toxicity, but TRAIL analogs or agonistic antibodies targeting these receptors have not received FDA approval for cancer therapy. Small molecules for activating DR5 or DR4 independently of protein ligands may bypass some of the pharmacological limitations of these protein drugs. Previously described Disulfide bond Disrupting Agents (DDAs) activate DR5 by altering its disulfide bonding through inhibition of the Protein Disulfide Isomerases (PDIs) ERp44, AGR2, and PDIA1. Work presented here extends these findings by showing that disruption of single DR5 disulfide bonds causes high-level DR5 expression, disulfide-mediated clustering, and activation of Caspase 8-Caspase 3 mediated pro-apoptotic signaling. Recognition of the extracellular domain of DR5 by various antibodies is strongly influenced by the pattern of DR5 disulfide bonding, which has important implications for the use of agonistic DR5 antibodies for cancer therapy. Disulfide-defective DR5 mutants do not activate the ER stress response or stimulate autophagy, indicating that these DDA-mediated responses are separable from DR5 activation and pro-apoptotic signaling. Importantly, other ER stressors, including Thapsigargin and Tunicamycin also alter DR5 disulfide bonding in various cancer cell lines and in some instances, DR5 mis-disulfide bonding is potentiated by overriding the Integrated Stress Response (ISR) with inhibitors of the PERK kinase or the ISR inhibitor ISRIB. These observations indicate that the pattern of DR5 disulfide bonding functions as a sensor of ER stress and serves as an effector of proteotoxic stress by driving extrinsic apoptosis independently of extracellular ligands.

ABSTRACT Glioblastoma (GBM) poses a significant challenge in clinical oncology due to its aggressive nature, heterogeneity, and resistance to therapies. Cancer stem cells (CSCs) play a critical role in GBM, particularly in treatment-resistance and tumor relapse, emphasizing the need to comprehend the mechanisms regulating these cells. Also, their multifaceted contributions to the tumor-microenvironment (TME) underline their significance, driven by their unique properties. This study aimed to characterize glioblastoma stem cells (GSCs), specifically slow-cycling cells (SCCs), in an immunocompetent murine GBM model to explore their similarities with their human counterparts. Using the KR158 mouse model, we confirmed that SCCs isolated from this model exhibited key traits and functional properties akin to human SCCs. KR158 murine SCCs, expanded in the gliomasphere assay, demonstrated sphere forming ability, self-renewing capacity, positive tumorigenicity, enhanced stemness and resistance to chemotherapy. Together, our findings validate the KR158 murine model as a framework to investigate GSCs and SCCs in GBM-pathology, and explore specifically the SCC-immune system communications, understand their role in disease progression, and evaluate the effect of therapeutic strategies targeting these specific connections.

Glioblastoma (GBM) poses a significant challenge in clinical oncology due to its aggressive nature, heterogeneity, and resistance to therapies. Cancer stem cells (CSCs) play a critical role in GBM, particularly in treatment resistance and tumor relapse, emphasizing the need to comprehend the mechanisms regulating these cells. Also, their multifaceted contributions to the tumor microenvironment (TME) underline their significance, driven by their unique properties. This study aimed to characterize glioblastoma stem cells (GSCs), specifically slow-cycling cells (SCCs), in an immunocompetent murine GBM model to explore their similarities with their human counterparts. Using the KR158 mouse model, we confirmed that SCCs isolated from this model exhibited key traits and functional properties akin to human SCCs. KR158 murine SCCs, expanded in the gliomasphere assay, demonstrated sphere forming ability, self-renewing capacity, positive tumorigenicity, enhanced stemness and resistance to chemotherapy. Together, our findings validate the KR158 murine model as a framework to investigate GSCs and SCCs in GBM pathology, and explore specifically the SCC–immune system communications, understand their role in disease progression, and evaluate the effect of therapeutic strategies targeting these specific connections.

The immune checkpoint inhibitor anti-PD-1, commonly used in cancer immunotherapy, has not been successful as a monotherapy for the highly aggressive brain cancer glioblastoma. However, when used in conjunction with a CC-chemokine receptor-2 (CCR2) antagonist, anti-PD-1 has shown efficacy in preclinical studies. In this paper, we aim to optimize treatment regimens for this combination immunotherapy using optimal control theory. We extend a treatment-free glioblastoma-immune dynamics ODE model to include interventions with anti-PD-1 and the CCR2 antagonist. An optimized regimen increases the survival of an average mouse from 32 days post-tumor implantation without treatment to 111 days with treatment. We scale this approach to a virtual murine cohort to evaluate mortality and quality of life concerns during treatment, and predict survival, tumor recurrence, or death after treatment. A parameter identifiability analysis identifies five parameters suitable for personalizing treatment within the virtual cohort. Sampling from these five practically identifiable parameters for the virtual murine cohort reveals that personalized, optimized regimens enhance survival: 84% of the virtual mice survive to day 100, compared to 60% survival in a previously studied experimental regimen. Subjects with high tumor growth rates and low T cell kill rates are identified as more likely to die during and after treatment due to their compromised immune systems and more aggressive tumors. Notably, the MDSC death rate emerges as a long-term predictor of either disease-free survival or death.

Abstract Glioblastoma (GBM) is the most common malignant primary brain tumor, resulting in poor survival despite aggressive therapies. GBM is characterized by a highly heterogeneous and immunosuppressive tumor microenvironment (TME) made up predominantly of infiltrating peripheral immune cells. One significant immune cell type that contributes to glioma immune evasion is a population of immunosuppressive cells, termed myeloid-derived suppressor cells (MDSCs). Previous studies suggest that a subset of myeloid cells, expressing monocytic (M)-MDSC markers and dual expression of chemokine receptors CCR2 and CX3CR1, utilize CCR2 to infiltrate the TME. This study evaluated the mechanism of CCR2 + /CX3CR1 + M-MDSC differentiation and T cell suppressive function in murine glioma models. We determined that bone marrow-derived CCR2 + /CX3CR1 + cells adopt an immune suppressive cell phenotype when cultured with glioma-derived factors. Glioma secreted CSF1R ligands M-CSF and IL-34 were identified as key drivers of M-MDSC differentiation while adenosine and iNOS pathways were implicated in M-MDSC suppression of T cells. Mining a human GBM spatial RNAseq database revealed a variety of different pathways that M-MDSCs utilize to exert their suppressive function that are driven by complex niches within the microenvironment. These data provide a more comprehensive understanding of the mechanism of M-MDSCs in glioblastoma. Simple Summary Currently there are no effective therapies for glioblastoma. Infiltrating myeloid cells contribute significantly to the immune suppressive tumor microenvironment that is characteristic of GBM. Monocytic myeloid derived suppressor cells are chief immune suppressive cells found in the glioma microenvironment. Understanding the mechanisms of M-MDSC differentiation and T cell suppression is imperative for generating therapies that target this tumor supportive cell population. In this study we found that glioma secreted CSF1R ligands, M-CSF and IL-34, license M-MDSCs to suppress CD8 T cells. These M-MDSCs partially utilize nitric oxide synthase to illicit their suppressive activity. However, spatial RNAseq points to glioma microenvironment niches driving M-MDSC heterogeneity. Our findings identify key regulators of differentiation and suppressive mechanisms of M-MDSCs and confirm the importance of targeting this cell population in glioma.