Background Gliomas are highly invasive brain neoplasms. MRI is the most important tool to diagnose and monitor glioma but has shortcomings. In particular, the assessment of tumor cell invasion is insufficient. This is a clinical dilemma, as recurrence can arise from MRI‐occult glioma cell invasion. Hypothesis Tumor cell invasion, tumor growth and radiotherapy alter the brain parenchymal microstructure and thus are assessable by diffusion tensor imaging (DTI) and MR elastography (MRE). Study Type Experimental, animal model. Animal Model Twenty‐three male NMRI nude mice orthotopically implanted with S24 patient‐derived glioma cells (experimental mice) and 9 NMRI nude mice stereotactically injected with 1 μL PBS (sham‐injected mice). Field Strength/Sequence 2D and 3D T2‐weighted rapid acquisition with refocused echoes (RARE), 2D echo planar imaging (EPI) DTI, 2D multi‐slice multi‐echo (MSME) T2 relaxometry, 3D MSME MRE at 900 Hz acquired at 9.4 T (675 mT/m gradient strength). Assessment Longitudinal 4‐weekly imaging was performed for up to 4 months. Tumor volume was assessed in experimental mice (n = 10 treatment‐control, n = 13 radiotherapy). The radiotherapy subgroup and 5 sham‐injected mice underwent irradiation (3 × 6 Gy) 9 weeks post‐implantation/sham injection. MRI‐/MRE‐parameters were assessed in the corpus callosum and tumor core/injection tract. Imaging data were correlated to light sheet microscopy (LSM) and histology. Statistical Tests Paired and unpaired t ‐tests, a P ‐value ≤0.05 was considered significant. Results From week 4 to 8, a significant callosal stiffening (4.44 ± 0.22 vs. 5.31 ± 0.29 kPa) was detected correlating with LSM‐proven tumor cell invasion. This was occult to all other imaging metrics. Histologically proven tissue destruction in the tumor core led to an increased T2 relaxation time (41.65 ± 0.34 vs. 44.83 ± 0.66 msec) and ADC (610.2 ± 12.27 vs. 711.2 ± 13.42 × 10 −6 mm 2 /s) and a softening (5.51 ± 0.30 vs. 4.24 ± 0.29 kPa) from week 8 to 12. Radiotherapy slowed tumor progression. Data Conclusion MRE is promising for the assessment of key glioma characteristics. Evidence Level NA Technical Efficacy Stage 2

Abstract Glioblastoma is the most common and aggressive primary malignant brain tumor with poor prognosis. Novel immunotherapeutic approaches are currently under investigation. Even though magnetic resonance imaging (MRI) is the most important imaging tool for treatment monitoring, response assessment is often hampered by therapy-related tissue changes. As tumor and therapy-associated tissue reactions differ structurally, we hypothesize that biomechanics could be a pertinent imaging proxy for differentiation. Longitudinal MRI and magnetic resonance elastography (MRE) were performed to monitor response to immunotherapy with a toll-like receptor 7/8 agonist in orthotopic syngeneic experimental glioma. Imaging results were correlated to histology and light sheet microscopy data. Here, we identify MRE as a promising non-invasive imaging method for immunotherapy-monitoring by quantifying changes in response-related tumor mechanics. Specifically, we show that a relative softening of treated compared to untreated tumors is linked to the inflammatory processes following therapy-induced re-education of tumor-associated myeloid cells. Mechanistically, combined effects of myeloid influx and inflammation including extracellular matrix degradation following immunotherapy form the basis of treated tumors being softer than untreated glioma. This is a very early indicator of therapy response outperforming established imaging metrics such as tumor volume. The overall anti-tumor inflammatory processes likely have similar effects on human brain tissue biomechanics, making MRE a promising tool for gauging response to immunotherapy in glioma patients early, thereby strongly impacting patient pathway.

Glioblastomas are invasive brain tumors with high therapeutic resistance. Neuron-to-glioma synapses have been shown to promote glioblastoma progression. However, a characterization of tumor-connected neurons has been hampered by a lack of technologies. Here, we adapted retrograde tracing using rabies viruses to investigate and manipulate neuron-tumor networks. Glioblastoma rapidly integrated into neural circuits across the brain, engaging in widespread functional communication, with cholinergic neurons driving glioblastoma invasion. We uncovered patient-specific and tumor-cell-state-dependent differences in synaptogenic gene expression associated with neuron-tumor connectivity and subsequent invasiveness. Importantly, radiotherapy enhanced neuron-tumor connectivity by increased neuronal activity. In turn, simultaneous neuronal activity inhibition and radiotherapy showed increased therapeutic effects, indicative of a role for neuron-to-glioma synapses in contributing to therapeutic resistance. Lastly, rabies-mediated genetic ablation of tumor-connected neurons halted glioblastoma progression, offering a viral strategy to tackle glioblastoma. Together, this study provides a framework to comprehensively characterize neuron-tumor networks and target glioblastoma.

Glioblastomas are heterogeneous brain tumors, notorious for their invasive behavior and resistance to therapy. Neuron-to-glioma synapses have been identified to promote glioblastoma invasion and proliferation. However, a comprehensive characterization of tumor-connected neurons has been hampered by a lack of technologies. Here, we adapted retrograde tracing with a modified rabies virus system to characterize and manipulate connected neuron-tumor networks. Glioblastoma rapidly integrated into neural circuits across the brain engaging in widespread functional communication, with acetylcholinergic and glutamatergic neurons driving glioblastoma progression. We uncovered patient-specific and tumor cell state-dependent differences in synaptogenic gene expression driving neuron-tumor connectivity and subsequent invasivity. Importantly, radiotherapy enhanced neuron-tumor connectivity by increased neuronal activity. In turn, simultaneous inhibition of AMPA receptors and radiotherapy showed increased therapeutic effects, indicative of a role for neuron-to-glioma synapses in contributing to therapeutic resistance. Lastly, rabies-mediated genetic ablation of tumor-connected neurons halted glioblastoma progression, offering a novel viral strategy to target glioblastoma. Together, this study provides a comprehensive framework for basic research and clinical translation of synaptic neuron-cancer interactions to target glioblastoma.