COVID-19 can cause severe neurological symptoms, but the underlying pathophysiological mechanisms are unclear. Here, we interrogated the brain stems and olfactory bulbs in postmortem patients who had COVID-19 using imaging mass cytometry to understand the local immune response at a spatially resolved, high-dimensional, single-cell level and compared their immune map to non-COVID respiratory failure, multiple sclerosis, and control patients. We observed substantial immune activation in the central nervous system with pronounced neuropathology (astrocytosis, axonal damage, and blood-brain-barrier leakage) and detected viral antigen in ACE2-receptor-positive cells enriched in the vascular compartment. Microglial nodules and the perivascular compartment represented COVID-19-specific, microanatomic-immune niches with context-specific cellular interactions enriched for activated CD8+ T cells. Altered brain T-cell-microglial interactions were linked to clinical measures of systemic inflammation and disturbed hemostasis. This study identifies profound neuroinflammation with activation of innate and adaptive immune cells as correlates of COVID-19 neuropathology, with implications for potential therapeutic strategies.

Summary

 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.

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.

Cancer treatment with anti-PD-1 immunotherapy can cause central nervous system immune-related adverse events (CNS-irAEs). The role of microglia in anti-PD-1 immunotherapy-induced CNS-irAEs is unclear. We found that anti-PD-1 treatment of mice caused morphological signs of activation and major histocompatibility complex (MHC) class II up-regulation on microglia. Functionally, anti-PD-1 treatment induced neurocognitive deficits in mice, independent of T cells, B cells, and natural killer cells. Instead, we found that microglia mediated these CNS-irAEs. Single-cell RNA sequencing revealed major transcriptional changes in microglia upon anti-PD-1 treatment. The anti-PD-1 effects were mediated by anti-PD-1 antibodies interacting directly with microglia and were not secondary to peripheral T cell activation. Using a proteomics approach, we identified spleen tyrosine kinase (Syk) as a potential target in activated microglia upon anti-PD-1 treatment. Syk inhibition reduced microglia activation and improved neurocognitive function without impairing anti-melanoma effects. Moreover, we analyzed CNS tissue from a patient cohort that had received anti-PD-1 treatment. Imaging mass cytometry revealed that anti-PD-1 treatment of patients was associated with increased surface marker expression indicative of microglia activation. In summary, we identified a disease-promoting role for microglia in CNS-irAEs driven by Syk and provide an inhibitor-based approach to interfere with this complication after anti-PD-1 immunotherapy.