Abstract Tumor cell extensions called tumor microtubes (TMs) in glioma resemble neurites during neurodevelopment and connect glioma cells to a network that has considerable relevance for tumor progression and therapy resistance. The determination of interconnectivity in individual tumors has been challenging and the impact of tumor cell connectivity on patient survival remained unresolved so far. Here, a connectivity signature from single-cell RNA-sequenced (scRNA-Seq) xenografted primary glioblastoma (GB) cells was established and clinically validated. Thirty-four of 40 connectivity genes were related to neurogenesis, neural tube development or glioma progression, including the TM-network-relevant GAP43 gene. Astrocytic-like and mesenchymal-like GB cells had the highest connectivity signature scores in scRNA-Seq data of patient-derived xenografts and patient samples. In 230 human GBs, high connectivity correlated with the mesenchymal expression subtype, TP53 wildtype, and with dismal patient survival. CHI3L1 was identified as a robust molecular marker of connectivity. Thus, the connectivity signature allows novel insights into brain tumor biology, provides a proof-of-principle that tumor cell connectivity is relevant for patients’ prognosis, and serves as a robust biomarker that can be used for future clinical trials. Statement of significance Integration of GB cells into functional networks drives tumor progression and resistance. Here, we established and validated a novel connectivity gene expression signature of single GB cells and whole tumors that can be easily applied to clinical and preclinical samples. It is shown that connectivity is determining prognosis combining molecular, functional and clinical insights into the disease.

Abstract Recent advances allowing the genomic analysis of individual cells from a bulk population have provided intriguing new insights into areas such as developmental processes and tumor heterogeneity. Most approaches to date, however, rely on the availability of fresh surgical specimens, thereby dramatically reducing the ability to profile particularly rare tissue types. Pediatric central nervous system tumors – the leading cause of childhood cancer deaths – represent one such example, where often only frozen rather than native material is available. Due to an increasing need for advanced techniques to understand the heterogeneity of these tumors, we optimized a method to isolate intact nuclei from long-term frozen pediatric glioma tissues. We performed a technical comparison between different single nucleus RNA-sequencing (snRNA-seq) systems using a patient-derived xenograft model as a test sample. Further, we applied the established nucleus isolation method to analyze frozen primary tissue from two pediatric central nervous system tumors – one pilocytic astrocytoma and one glioblastoma – allowing the identification of distinct tumor cell populations and infiltrating microglia. The results show that our fast, simple and low-cost nuclear isolation protocol provides intact nuclei, which can be used in both droplet-based 3’ transcriptome amplification (10X Genomics) and plate-based whole transcriptome amplification (Fluidigm C1) single-cell sequencing platforms, thereby dramatically increasing the potential for application of such methods to rare entities.

Abstract Medulloblastoma with extensive nodularity (MBEN) are cerebellar tumors with two histologically distinct compartments and varying disease course. In some children MBEN progresses, while others show spontaneous differentiation into more benign tumors. However, the mechanisms that control the tug-of-war between proliferation and differentiation are not well understood. Here, we dissected this process with a multi-modal single cell transcriptome analysis. We found that the internodular MBEN compartment comprised proliferating early cerebellar granular neuronal precursors (CGNP)-like tumor cells as well as stromal, vascular, and immune cells. In contrast, the nodular compartment consisted of postmitotic, neuronally differentiated MBEN cells. Both compartments were connected through an intermediate cell stage of actively migrating CGNPs. Furthermore, astrocyte-like tumor cells were identified that had branched off the main CGNP developmental trajectory. Cells with an astroglial phenotype were found in close proximity to migrating, late CGNP-like and postmitotic neuronally differentiated cells. Our study reveals how the spatial tissue organization is linked to the developmental trajectory of proliferating tumor cells through a migrating precursor stage into differentiated tumor cells with a more benign phenotype. We anticipate that our framework for integrating single nucleus RNA-sequencing and spatial transcriptomics will help to uncover intercompartmental interactions also in other cancers with varying histology.

Abstract Background Pediatric-type diffuse high-grade glioma (pHGG) is the most frequent malignant brain tumor in children and can be subclassified into multiple entities. Fusion genes activating the MET receptor tyrosine kinase often occur in infant-type hemispheric glioma (IHG) but also in other pHGG and are associated with devastating morbidity and mortality. Methods To identify new treatment options, we established and characterized two novel orthotopic mouse models harboring distinct MET fusions. These included an immunocompetent, murine allograft model and patient-derived orthotopic xenografts (PDOX) from a MET-fusion IHG patient who failed conventional therapy and targeted therapy with cabozantinib. With these models, we analyzed the efficacy and pharmacokinetic properties of three MET inhibitors, capmatinib, crizotinib and cabozantinib, alone or combined with radiotherapy. Results Capmatinib showed superior brain pharmacokinetic properties and greater in vitro and in vivo efficacy than cabozantinib or crizotinib in both models. The PDOX models recapitulated the poor efficacy of cabozantinib experienced by the patient. In contrast, capmatinib extended survival and induced long-term progression-free survival when combined with radiotherapy in two complementary mouse models. Capmatinib treatment increased radiation-induced DNA double-strand breaks and delayed their repair. Conclusions We comprehensively investigated the combination of MET inhibition and radiotherapy as a novel treatment option for MET-driven pHGG. Our seminal preclinical data package includes pharmacokinetic characterization, recapitulation of clinical outcomes, coinciding results from multiple complementing in vivo studies, and insights into molecular mechanism underlying increased efficacy. Taken together, we demonstrate the groundbreaking efficacy of capmatinib and radiation as a highly promising concept for future clinical trials.