Sex differences in the incidence and outcome of human disease are broadly recognized but, in most cases, not sufficiently understood to enable sex-specific approaches to treatment. Glioblastoma (GBM), the most common malignant brain tumor, provides a case in point. Despite well-established differences in incidence and emerging indications of differences in outcome, there are few insights that distinguish male and female GBM at the molecular level or allow specific targeting of these biological differences. Here, using a quantitative imaging-based measure of response, we found that standard therapy is more effective in female compared with male patients with GBM. We then applied a computational algorithm to linked GBM transcriptome and outcome data and identified sex-specific molecular subtypes of GBM in which cell cycle and integrin signaling are the critical determinants of survival for male and female patients, respectively. The clinical relevance of cell cycle and integrin signaling pathway signatures was further established through correlations between gene expression and in vitro chemotherapy sensitivity in a panel of male and female patient-derived GBM cell lines. Together, these results suggest that greater precision in GBM molecular subtyping can be achieved through sex-specific analyses and that improved outcomes for all patients might be accomplished by tailoring treatment to sex differences in molecular mechanisms.

Abstract Glioblastomas (GBMs) are biologically heterogeneous within and between patients. Many previous attempts to characterize this heterogeneity have classified tumors according to their omics similarities. These discrete classifications have predominantly focused on characterizing malignant cells, neglecting the immune and other cell populations that are known to be present. We leverage a manifold learning algorithm to define a low-dimensional transcriptional continuum along which heterogeneous GBM samples organize. This reveals three polarized states: invasive, immune/inflammatory, and proliferative. The location of each sample along this continuum correlates with the abundance of eighteen malignant, immune, and other cell populations. We connect these cell abundances with magnetic resonance imaging and find that the relationship between contrast enhancement and tumor composition varies with patient sex and treatment status. These findings suggest that GBM transcriptional biology is a predictably constrained continuum that contains a limited spectrum of viable cell cohabitation ecologies. Since the relationships between this ecological continuum and imaging vary with patient sex and tumor treatment status, studies that integrate imaging features with tumor biology should incorporate these variables in their design.

We show the application of a minimally based, patient-specific mathematical model in the evaluation of glioblastoma response to therapy. Days Gained uses computational models of glioblastoma growth dynamics derived from clinically acquired magnetic resonance imaging (MRI) to compare the post-treatment tumor lesion to the expected un-treated tumor lesion at the same time point. It accounts for the inter-patient variability in growth dynamics and response to therapy. This allows for the accurate assessment of therapeutic response and provides insight into overall survival as it relates to treatment response.

Temozolomide (TMZ) has been the standard-of-care chemotherapy for glioblastoma (GBM) patients for more than a decade. Despite this long time in use, significant questions remain regarding how best to optimize TMZ therapy for individual patients. Understanding the relationship between TMZ response and factors such as number of adjuvant TMZ cycles, patient age, patient sex, and image-based tumor features, might help predict which GBM patients would benefit most from TMZ, particularly for those whose tumors are not MGMT methylated. Using a cohort of 90 newly-diagnosed GBM patients treated according to the Stupp protocol, we examined the relationships between several patient and tumor characteristics and volumetric and survival outcomes during adjuvant chemotherapy. Volumetric changes in MR imaging abnormalities during adjuvant therapy were used to assess TMZ response. T1Gd volumetric response is associated with younger patient age, increased number of TMZ cycles, longer time to nadir volume, and decreased tumor invasiveness. Moreover, increased adjuvant TMZ cycles corresponded with improved volumetric response only among more nodular tumors, and this volumetric response was associated with improved survival outcomes. Finally, in a subcohort of patients with known MGMT methylation status, MGMT methylated tumors were more diffusely invasive than unmethylated tumors, suggesting that the improved response in nodular tumors is not driven by a preponderance of MGMT methylated tumors. Our finding that less diffusely invasive tumors are associated with greater volumetric response to TMZ suggests that patients with these tumors may benefit from additional cycles of adjuvant TMZ, even for those without MGMT methylation.

Seizures are common presenting symptoms of primary brain tumors. Mechanisms of epileptogenesis are still unknown and are believed to be multifactorial. Previous studies have indicated correlation of seizure with tumor location. Recent investigations of our group have shown image-based parameters have sex-specific implications for patient outcome. In this retrospective study, we examined the association of tumor location with the probability and risk of seizure in male and female glioma patients.

Sex differences in the incidence and outcome of human disease are broadly recognized but in most cases not adequately understood to enable sex-specific approaches to treatment. Glioblastoma (GBM), the most common malignant brain tumor, provides a case in point. Despite well-established differences in incidence, and emerging indications of differences in outcome, there are few insights that distinguish male and female GBM at the molecular level, or allow specific targeting of these biological differences. Here, using a quantitative imaging-based measure of response, we found that temozolomide chemotherapy is more effective in female compared to male GBM patients. We then applied a novel computational algorithm to linked GBM transcriptome and outcome data, and identified novel sex-specific molecular subtypes of GBM in which cell cycle and integrin signaling were identified as the critical determinants of survival for male and female patients, respectively. The clinical utility of cell cycle and integrin signaling pathway signatures was further established through correlations between gene expression and in vitro chemotherapy sensitivity in a panel of male and female patient-derived GBM cell lines. Together these results suggest that greater precision in GBM molecular subtyping can be achieved through sex-specific analyses, and that improved outcome for all patients might be accomplished via tailoring treatment to sex differences.

Abstract Magnetic resonance imaging (MRI) is key to clinically managing brain tumor patients, however connecting the biology to imaging remains challenging. We previously developed a two-compartment model of MRI signal intensity to quantitatively estimate relative edema abundance from T2-weighted MRIs. Using this model, we previously identified the fatty acid metabolism (FAM) and oxidative phosphorylation (OxPhos) pathways as sex-distinct, with both pathways amplified for high edema in males and low edema in females. The purpose of this project was to further delineate sex-distinct biology associated with MRI-estimated brain tumor edema abundance. We analyzed 179 multiregional samples (Female: 75; Male: 104) from 55 high grade glioma patients (Female: 21; Male: 34) for bulk RNA-Seq. Patients’ pre-surgical multiparametric MRIs were preprocessed and segmented for abnormal regions and normal tissue. Utilizing the segmentations and preprocessed images we estimated the relative fractions of extracellular and intracellular space based on the edema mathematical model. Samples were characterized by their edema scores, which were analyzed using differential expression for high and low edema, gene set enrichment analysis (GSEA) using MSigDB hallmarks, and leading edge interpretation. Based on transcriptomic leading edge analyses of high and low edema samples from sex-separated cohorts, we identified common and sex-distinct enrichment of the FAM and OxPhos pathways underlying edema patterns. Of the OxPhos pathway leading edge genes, 45 were common, 36 were unique to females, and 66 were unique to males. Of the FAM pathway leading edge genes, 8 were common, 39 were unique to females, and 29 were unique to males. Notably, expression of both IDH1 and IDH2 were increased for males in regions of high edema in the OxPhos pathway. IDH3a was decreased for females in regions of low edema in the OxPhos pathway. These data suggest that there may be sex-distinct metabolism underlying MRI measurable edema formation.

Purpose: Accurate assessments of patient response to therapy are a critical component of personalized medicine. In glioblastoma multiforme (GBM), the most aggressive form of brain cancer, tumor growth dynamics are heterogenous across patients, complicating assessment of treatment response. This study aimed to analyze Days Gained (DG), a burgeoning model-based dynamic metric, for response assessment in patients with recurrent GBM who received bevacizumab-based therapies. Experimental Design: Days Gained response scores were calculated using volumetric tumor segmentations for patients receiving bevacizumab with and without concurrent cytotoxic therapy (N=62). Kaplan-Meier and Cox proportional hazards analyses were implemented to examine DG prognostic relationship to overall (OS) and progression-free survival (PFS) from the onset of treatment for recurrent GBM. Results: In patients receiving concurrent bevacizumab and cytotoxic therapy, Kaplan-Meier analysis showed significant differences in OS and PFS at previously identified DG cutoffs consistent with previous DG analyses using gadolinium-enhanced T1 weighted MR imaging. DG scores for bevacizumab monotherapy only approached significance for PFS. Cox regression showed that increases of 25 DG were significantly associated with a 12.5% reduction in OS hazard for concurrent therapy patients and a 4.4% reduction in PFS hazard for bevacizumab monotherapy. Conclusion: Days Gained has significant meaning in recurrent therapy as a metric of treatment response, even in the context of anti-angiogenic therapies. This provides further evidence supporting the use of DG as an adjunct response metric that quantitatively connects treatment response and clinical outcomes.