Arteriovenous malformations (AVM) are benign vascular anomalies prone to pain, bleeding, and progressive growth. AVM are mainly caused by mosaic pathogenic variants of the RAS-MAPK pathway. However, a causative variant is not identified in all patients. Using ultra-deep sequencing, we identified novel somatic RIT1 delins variants in lesional tissue of three AVM patients. RIT1 encodes a RAS-like protein that can modulate RAS-MAPK signaling. We expressed RIT1 variants in HEK293T cells, which led to a strong increase in ERK1/2 phosphorylation. Endothelial-specific mosaic overexpression of RIT1 delins in zebrafish embryos induced AVM formation, highlighting their functional importance in vascular development. Both ERK1/2 hyperactivation in vitro and AVM formation in vivo could be suppressed by pharmacological MEK inhibition. Treatment with the MEK inhibitor trametinib led to a significant decrease in bleeding episodes and AVM size in one patient. Our findings implicate RIT1 in AVM formation and provide a rationale for clinical trials with targeted treatments.

Infantile hemangioma (IH) is the most common tumor in children and a paradigm for pathological vasculogenesis, angiogenesis and regression. Propranolol is the mainstay of treatment for IH. It inhibits hemangioma vessel formation via a β-adrenergic receptor independent off-target effect of its R(+) enantiomer on the endothelial specific transcription factor sex-determining region Y (SRY) box transcription factor 18 (SOX18). Transcriptomic profiling of patient-derived hemangioma stem cells uncovered the mevalonate pathway (MVP) as a target of R(+) propranolol. Loss of SOX18 function confirmed R(+) propranolol mode of action on the MVP. Functional validation in preclinical IH models revealed that statins - targeting the MVP - are potent inhibitors of hemangioma vessel formation. We propose a novel SOX18-MVP-axis as a central regulator of IH pathogenesis and suggest statin repurposing to treat IH. Our findings reveal novel pleiotropic effects of beta-blockers and statins acting on the SOX18-MVP axis to disable an endothelial specific program in IH, which may impact other scenarios involving pathological vasculogenesis and angiogenesis.

ABSTRACT Background Infantile hemangioma (IH) is a benign vascular tumor that undergoes an initial rapid growth phase followed by spontaneous involution. A fibrofatty residuum remains in many tumors and often necessitates resection. We recently discovered that R(+) propranolol, the non-β blocker enantiomer, inhibits blood vessel formation of IH patient-derived hemangioma stem cells (HemSC) xenografted in mice. HemSC are multipotent cells with the ability to differentiate into endothelial cells, pericytes, and adipocytes. Objectives We investigated how R(+) propranolol affects HemSC adipogenic differentiation and lipid accumulation, in vitro and in a preclinical murine model for IH. Methods We conducted a 10-day adipogenesis assay on 4 IH patient-derived HemSCs. Oil Red O (ORO) staining was used to identify the onset and level of lipid accumulation in HemSC while quantitative real-time polymerase chain reaction was conducted to determine the temporal expression of key factors implicated in adipogenesis. 5-20µM R(+) propranolol treatment was added to HemSC induced to undergo adiogenesis for 4 and 8 days, followed by quantification of lipid-stained areas and transcript levels of key adipogenic factors. We immunostained for lipid droplet-associated protein Perilipin 1 (PLIN1) in HemSC-xenograft sections from mice treated with R(+) propranolol and quantified the area using ImageJ. Results We found that different patient-derived HemSC exhibit a robust and heterogenous adipogenic capacity when induced for adipogenic differentiation in vitro. Consistently across four IH patient-derived HemSC isolates, R(+) propranolol reduced ORO-stained areas and lipoprotein lipase (LPL) transcript levels in HemSC after 4 and 8 days of adipogenic induction. In contrast, R(+) propranolol had no significant inhibitory effect on transcript levels encoding adipogenic transcription factors. In a pre-clinical HemSC xenograft model, PLIN1-positive area was significantly reduced in xenograft sections from mice treated with R(+) propranolol, signifying reduced lipid accumulation. Conclusions Our findings suggest a novel regulatory role for the R(+) enantiomer of propranolol in modulating lipid accumulation in HemSC. This highlights a novel role of R(+) propranolol in the involuting phase of IH and a strategy to reduce fibrofatty residua in IH. What is already known about this topic? Propranolol is the mainstay treatment for infantile hemangioma (IH), the most common tumor of infancy, but its use can be associated with concerning β-blocker side effects. R(+) propranolol, the enantiomer largely devoid of β-blocker activity, was recently shown to inhibit endothelial differentiation of hemangioma-derived stem cells (HemSC) in vitro and reduce blood vessel formation in a HemSC-derived xenograft murine model of IH. What does this study add? R(+) propranolol inhibits lipid accumulation in HemSC in vitro. R(+) propranolol does not affect mRNA transcript levels of key adipogenic transcription factors in differentiating HemSC in vitro. R(+) propranolol reduces lipid accumulation in a pre-clinical xenograft murine model of IH. What is the translational message? The R(+) enantiomer of propranolol could be advantageous in terms of reduction in β-adrenergic side effects and fibrofatty tissue formation in the involuting phase of IH. Less fibrofatty residua might reduce the need for surgical resection. Disfigurement and associated psychosocial impacts might be improved in this young patient cohort.