Abstract The biological and clinical impact of neoplastic and immune cell type ratios in the glioblastoma (GBM) tumour microenvironment is being realised. Characterising and quantifying cell types within GBMs at scale will facilitate a better understanding of the association between the cellular landscape and tumour phenotypes or clinical correlates. This study aimed to develop a tool that can deconvolute immune and neoplastic cells within the GBM tumour microenvironment from bulk RNA sequencing data. We developed an IDH wild-type (IDHwt) GBM specific single immune cell reference dataset, from four independent studies, consisting of B cells, T cells, NK cells, microglia, tumour associated macrophages, monocytes, mast and DC cells. We used this alongside an existing neoplastic single cell-type dataset consisting of astrocyte-like, oligodendrocyte- and neuronal-progenitor like and mesenchymal GBM cancer cells to create both marker and gene signature matrix-based deconvolution tools. We then applied single-cell resolution imaging mass cytometry (IMC) to ten IDHwt GBM samples, five paired primary and recurrent tumours, in parallel with these tools to determine which performed best. Marker based gene expression deconvolution using GBM tissue specific markers, which we have packaged as GBMdeconvoluteR, gave the most accurate results. The correlation between immune cell quantification by IMC and by GBMdeconvoluteR for primary IDHwt GBM samples was 0.52 (Pearson’s P=7.8×10 −3 ) and between neoplastic cell quantification by IMC and by GBMdeconvoluteR was 0.75 (Pearson’s P=1.2×10 −3 ). We applied GBMdeconvoluteR to bulk GBM RNAseq data from The Cancer Genome Atlas (TCGA) and were able to recapitulate recent findings from multi-omics single cell studies with regards associations between mesenchymal GBM cancer cells and both lymphoid and myeloid cells. Furthermore, we were able to expand upon this to show that these associations are stronger in patients with worse prognosis. GBMdeconvoluteR is accessible online at https://gbmdeconvoluter.leeds.ac.uk . Key points GBMdeconvoluteR is a glioblastoma-specific cellular deconvolution tool. When applied to bulk GBM RNAseq data, it accurately quantifies the neoplastic and immune cells in that tumour. It is available online at https://gbmdeconvoluter.leeds.ac.uk

Adult IDH-wildtype glioblastoma (GBM) is a highly aggressive brain tumor with no established immunotherapy or targeted therapy. Recently, CD32 + HLA-DR hi macrophages were discovered to have displaced resident microglia in GBM tumors that contact the lateral ventricle stem cell niche. Since these lateral ventricle contacting GBM tumors have especially poor outcomes, identifying the origin and role of these CD32 + macrophages is likely critical to developing successful GBM immunotherapies. Here, we identify these CD32 + cells as M_IL-8 macrophages and establish that IL-8 is sufficient and necessary for tumor cells to instruct healthy macrophages into CD32 + M_IL-8 M2 macrophages. Using a set of 73 GBM tumors, IL-8 protein is shown to be present in GBM tumor cells in vivo and especially common in tumors contacting the lateral ventricle. Finally, in ex vivo experiments with conditioned medium from primary human tumor cells, inhibitory antibodies to IL-8 blocked the generation of CD32 + M_IL-8 cells. These results provide a mechanistic origin for CD32 + macrophages that predominate in the microenvironment of the most aggressive GBM tumors. IL-8 and CD32 + macrophages should now be explored as targets in combination with GBM immunotherapies, especially for patients whose tumors present with radiographic contact with the ventricular subventricular zone stem cell niche.

Abstract The advent of high-dimensional imaging approaches offers innovative opportunities to molecularly characterize diagnostic cells in disorders that have previously relied on histopathological definitions. One example of such disorders is tuberous sclerosis complex (TSC), a developmental disorder characterized by systemic growth of benign tumors. Within resected brain tissues from patients with TSC, detection of abnormally enlarged balloon cells (BCs) is pathognomonic for this disorder. Though BCs can be identified by an expert neuropathologist, little is known about the specificity and broad applicability of protein markers for these cells, complicating classification of proposed BCs identified in experimental models of this disorder. Here, we report the development of a customized machine-learning workflow ( Ba lloon Iden tifier; BAIDEN) that was trained to prospectively identify BCs in tissue sections using a histological stain compatible with high-dimensional cytometry. This approach was coupled to a custom antibody panel and 36-parameter imaging mass cytometry (IMC) to explore the expression of multiple previously proposed BC markers and develop a descriptor of BC features conserved across multiple tissue samples from patients with TSC. These findings comprise a toolbox and dataset for understanding the abundance, structure, and signaling activity of these histopathologically abnormal cells, and an example case of how such tools can be developed and applied within human tissues.

A limiting factor in the regenerative capacity of the adult brain is the abundance and proliferative ability of neural stem cells (NSCs). Adult NSCs are derived from a subpopulation of embryonic NSCs that temporarily enter quiescence during mid-gestation and remain quiescent until postnatal reactivation. Here we present evidence that the mechanistic/mammalian target of rapamycin (mTOR) pathway regulates quiescence entry in embryonic NSCs of the developing forebrain. Throughout embryogenesis, two downstream effectors of mTOR, p-4EBP1/2 T37/46 and p-S6 S240/244, were mutually exclusive in NSCs, rarely occurring in the same cell. While 4EBP1/2 was phosphorylated in stem cells undergoing mitosis at the ventricular surface, S6 was phosphorylated in more differentiated cells migrating away from the ventricle. Phosphorylation of 4EBP1/2, but not S6, was responsive to quiescence induction in cultured embryonic NSCs. Further, inhibition of p-4EBP1/2, but not p-S6, was sufficient to induce quiescence. Collectively, this work offers new insight into the regulation of quiescence entry in embryonic NSCs and, thereby, correct patterning of the adult brain. These data suggest unique biological functions of specific posttranslational modifications and indicate that the preferential inhibition of such modifications may be a useful therapeutic approach in neurodevelopmental diseases where NSC numbers, proliferation, and differentiation are altered.

Abstract Background An increasing number of rodent model systems use injection of DNA or viral constructs in the neonatal brain. However, approaches for reliable positioning and stereotaxic injection at this developmental stage are limited, typically relying on handheld positioning or molds that must be re-aligned for use in a given laboratory. New method A complete protocol and open source software pipeline for generating 3D-printed head molds derived from a CT scan of a neonatal mouse head cast, together with a universal adapter that can be placed on a standard stereotaxic stage. Results A series of test injections with adenovirus encoding red fluorescent protein were conducted using original clay molds and newly generated 3D printed molds. Several metrics were used to compare spread and localization of targeted injections. Comparison with existing methods The new method of head mold generation gave comparable results to the field standard, but also allowed the rapid generation of additional copies of each head mold with standardized positioning of the head each time. Conclusions This 3D printing pipeline can be used to rapidly develop a series of head molds with standardized injection coordinates across multiple laboratories. More broadly, this pipeline can easily be adapted to other perinatal ages or species.

Abstract Microglia are the primary phagocytes in the central nervous system and are responsible for clearing dead cells generated during development or disease. The phagocytic process shapes the phenotype of the microglia, which affects the local environment. A unique population of microglia reside in the ventricular-subventricular zone (V-SVZ) of neonatal mice, but how they influence this neurogenic niche is not well-understood. Here, we demonstrate that phagocytosis creates a pro-neurogenic microglial phenotype in the V-SVZ and that these microglia phagocytose apoptotic cells via the engulfment receptor Jedi-1. Deletion of Jedi-1 decreases apoptotic cell clearance, triggering the development of a neuroinflammatory phenotype, reminiscent of neurodegenerative and-age-associated microglia, that reduces neural precursor proliferation via elevated interleukin (IL)-1β signaling; inhibition of IL-1 receptor rescues precursor proliferation in vivo. Together, these results reveal a critical role for Jedi-1 in connecting microglial phagocytic activity to a phenotype that promotes neurogenesis in the developing V-SVZ. Graphical Abstract. Jedi-1-dependent phagocytosis supports neurogenesis via suppression of microglial inflammatory pathway activation Top: Wild-type Proliferative-zone-Associated Microglia (PAMs) (cyan) use the engulfment receptor Jedi-1 (‘Jedi’) to engulf apoptotic cells (yellow) in the neurogenic ventricular-subventricular zone (V-SVZ) of the early postnatal brain. Jedi activation supports neural precursor cell (NPC) proliferation and the generation of new neurons. Bottom: Deletion of Jedi reduces microglial phagocytosis and transforms PAMs into Disease-associated Inflammatory Microglia (DIMs) characterized by the upregulation of canonical inflammatory genes and core DIM markers iden ified in the aging and neurodegenerative brain (Nlrp3, NLR family pyrin domain-containing 3; Tnf, tumor necrosis factor; Ccl4, C-C chemokine ligand 4 (also called macrophage inflammatory protein 1β); Ccr5, C-C chemokine receptor type 5). Increased interleukin-1β (IL-1β) synthesis, release, and signaling in the Jedi-null V-SVZ reduces NPC proliferation and newborn neuron number. Highlights The engulfment receptor Jedi-1 is expressed by microglia in the neonatal ventricular-subventricular zone (V-SVZ) neurogenic niche. Jedi-1 knockout microglia have decreased engulfment ability, resulting in accumulation of dead cells in the V-SVZ. Loss of Jedi-1 leads to a neuroinflammatory phenotype in microglia that is characteristic of neurodegenerative and age-associated microglia. Microglial-specific loss of Jedi -1 reduces neurogenesis, which is rescued in vivo by inhibition of interleukin-1β signaling.