Reactive astrocytes evolve after brain injury, inflammatory and degenerative diseases, whereby they undergo transcriptomic re-programming. In malignant brain tumors, their function and crosstalk to other components of the environment is poorly understood. Here we report a distinct transcriptional phenotype of reactive astrocytes from glioblastoma linked to JAK/STAT pathway activation. Subsequently, we investigate the origin of astrocytic transformation by a microglia loss-of-function model in a human organotypic slice model with injected tumor cells. RNA-seq based gene expression analysis of astrocytes reveals a distinct astrocytic phenotype caused by the coexistence of microglia and astrocytes in the tumor environment, which leads to a large release of anti-inflammatory cytokines such as TGFβ, IL10 and G-CSF. Inhibition of the JAK/STAT pathway shifts the balance of pro- and anti-inflammatory cytokines towards a pro-inflammatory environment. The complex interaction of astrocytes and microglia cells promotes an immunosuppressive environment, suggesting that tumor-associated astrocytes contribute to anti-inflammatory responses.

Glioblastomas are malignant tumors of the central nervous system hallmarked by subclonal diversity and dynamic adaptation amid developmental hierarchies. The source of dynamic reorganization within the spatial context of these tumors remains elusive. Here, we characterized glioblastomas by spatially resolved transcriptomics, metabolomics, and proteomics. By deciphering regionally shared transcriptional programs across patients, we infer that glioblastoma is organized by spatial segregation of lineage states and adapts to inflammatory and/or metabolic stimuli, reminiscent of the reactive transformation in mature astrocytes. Integration of metabolic imaging and imaging mass cytometry uncovered locoregional tumor-host interdependence, resulting in spatially exclusive adaptive transcriptional programs. Inferring copy-number alterations emphasizes a spatially cohesive organization of subclones associated with reactive transcriptional programs, confirming that environmental stress gives rise to selection pressure. A model of glioblastoma stem cells implanted into human and rodent neocortical tissue mimicking various environments confirmed that transcriptional states originate from dynamic adaptation to various environments.

Despite recent advances in cancer immunotherapy, certain tumor types, such as Glioblastomas, are highly resistant due to their tumor microenvironment disabling the anti-tumor immune response. Here we show, by applying an in-silico multidimensional model integrating spatially resolved and single-cell gene expression data of 45,615 immune cells from 12 tumor samples, that a subset of Interleukin-10-releasing HMOX1+ myeloid cells, spatially localizing to mesenchymal-like tumor regions, drive T-cell exhaustion and thus contribute to the immunosuppressive tumor microenvironment. These findings are validated using a human ex-vivo neocortical glioblastoma model inoculated with patient derived peripheral T-cells to simulate the immune compartment. This model recapitulates the dysfunctional transformation of tumor infiltrating T-cells. Inhibition of the JAK/STAT pathway rescues T-cell functionality both in our model and in-vivo, providing further evidence of IL-10 release being an important driving force of tumor immune escape. Our results thus show that integrative modelling of single cell and spatial transcriptomics data is a valuable tool to interrogate the tumor immune microenvironment and might contribute to the development of successful immunotherapies.

Summary The diversity of molecular states and cellular plasticity of immune cells in the glioblastoma environment is still poorly understood. Here, we performed scRNA sequencing of the immune compartment and mapped potential cellular interactions leading to an immunosuppressive microenvironment and dysfunction of T cells. Through inferring the dynamic adaptation during T cell activation, we identified three different terminal states with unique transcriptional programs. Modeling of driver genes for terminal T cell fate identified IL-10 signaling alterations in a subpopulation of HAVCR2(+) T cells. To explore in depth cellular interactions, we established an in-silico model by the integration of spatial transcriptomic and scRNA-sequencing, and identified a subset of HMOX1 + myeloid cells defined by IL10 release leading to T cell exhaustion. We found a spatial overlap between HMOX(+) myeloid and HAVCR2(+) T cells, suggesting that myeloid-lymphoid interaction causes immunosuppression present in tumor regions with enriched mesenchymal gene expression. Using human neocortical GBM model, coupled with patient-derived T cells, we confirmed that the functional interaction between myeloid and lymphoid cells, leads to a dysfunctional state of T cells. This IL-10 driven T cell exhaustion was found to be rescued by JAK/STAT inhibition. A comprehensive understanding of the cellular states and plasticity of lymphoid cells in GBM will aid towards successful immunotherapeutic approaches.

Abstract Glioblastomas are highly malignant tumors of the central nervous system. Evidence suggests that these tumors display large intra- and inter-patient heterogeneity hallmarked by subclonal diversity and dynamic adaptation amid developmental hierarchies 1–3 . However, the source for dynamic reorganization of cellular states within their spatial context remains elusive. Here, we in-depth characterized glioblastomas by spatially resolved transcriptomics, metabolomics and proteomics. By deciphering exclusive and shared transcriptional programs across patients, we inferred that glioblastomas develop along defined neural lineages and adapt to inflammatory or metabolic stimuli reminiscent of reactive transformation in mature astrocytes. Metabolic profiling and imaging mass cytometry supported the assumption that tumor heterogeneity is dictated by microenvironmental alterations. Analysis of copy number variation (CNV) revealed a spatially cohesive organization of subclones associated with reactive transcriptional programs, confirming that environmental stress gives rise to selection pressure. Deconvolution of age-dependent transcriptional programs in malignant and non-malignant specimens identified the aging environment as the major driver of inflammatory transformation in GBM, suggesting that tumor cells adopt transcriptional programs similar to inflammatory transformation in astrocytes. Glioblastoma stem cells implanted into human neocortical slices of varying age levels, independently confirmed that the ageing environment dynamically shapes the intratumoral heterogeneity towards reactive transcriptional programs. Our findings provide insights into the spatial architecture of glioblastoma, suggesting that both locally inherent tumor as well as global alterations of the tumor microenvironment shape its transcriptional heterogeneity. Global age-related inflammation in the human brain is driving distinct transcriptional transformation in glioblastomas, which requires an adjustment of the currently prevailing glioma models.

Abstract Background Spontaneous intracerebral abscess formation is a rare condition presenting with a disabling sequela. The origin of infection can either be primary or secondary to an infection at another location. The site of primary infection - due to the proximity, often the oral cavity, the sinuses, and the orbit - determines the causative pathogens. Treatment often combines surgical and antimicrobial therapies. To determine the microbiology and respective changes and treatment outcome, we performed this retrospective monocentric cohort study of patients requiring surgical treatment of brain abscesses. Methods Patients undergoing surgical treatment of a primary intracranial abscess between January 2000 and January 2021 in the Department of Neurosurgery, Freiburg University Hospital were included. Demographic, clinical and imaging data were extracted from patients’ medical records and databases. Treatment approaches were also analyzed, and surgical therapy and antibiotic therapy were reported. Outcome was assessed by the modified Rankin score (mRS) and was dichotomized into good (mRS 0–3) and poor (mRS 4–6) outcome. Results We included 65 patients with spontaneous intracerebral abscess that were treated with neurosurgical intervention at our institution. Analysis of the causative pathogens showed an increasing dominance of rare pathogens such as fungi, parasites, mycobacteria and anaerobes. Outcome measured by the mRS was similar from 2005 to 2021. Conclusions The pathogen spectrum of spontaneous intracerebral abscess at our institution is shifting with rarer pathogens being increasingly detected. This retrospective analysis highlights the need for microbiological diagnosis and of combined surgical and antibiological treatment.