Abstract Given the marginal penetration of most drugs across the blood-brain barrier, the efficacy of various agents remains limited for glioblastoma (GBM). Here we employ low-intensity pulsed ultrasound (LIPU) and intravenously administered microbubbles (MB) to open the blood-brain barrier and increase the concentration of liposomal doxorubicin and PD-1 blocking antibodies (aPD-1). We report results on a cohort of 4 GBM patients and preclinical models treated with this approach. LIPU/MB increases the concentration of doxorubicin by 2-fold and 3.9-fold in the human and murine brains two days after sonication, respectively. Similarly, LIPU/MB-mediated blood-brain barrier disruption leads to a 6-fold and a 2-fold increase in aPD-1 concentrations in murine brains and peritumoral brain regions from GBM patients treated with pembrolizumab, respectively. Doxorubicin and aPD-1 delivered with LIPU/MB upregulate major histocompatibility complex (MHC) class I and II in tumor cells. Increased brain concentrations of doxorubicin achieved by LIPU/MB elicit IFN-γ and MHC class I expression in microglia and macrophages. Doxorubicin and aPD-1 delivered with LIPU/MB results in the long-term survival of most glioma-bearing mice, which rely on myeloid cells and lymphocytes for their efficacy. Overall, this translational study supports the utility of LIPU/MB to potentiate the antitumoral activities of doxorubicin and aPD-1 for GBM.

Abstract Plasmodium falciparum circumsporozoite protein (CSP) is a critically required abundant surface protein of sporozoites and a major vaccine candidate. However, neither the structure nor the role of CSP in sporozoite motility is well understood. Our recent in vitro data, from single-molecule pulling experiments suggested a mechanically pliable structure for P. falciparum CSP. By engineering vegetative cells of the cellular slime-mold Dictyostelium discoideum with regulatable CSP surface expression, we report evidence for direct involvement of CSP towards conferring elastic properties and motility of the cells. With an increase in the surface-CSP levels by 5–8-fold, the Youngs moduli of the cells, observed through atomic force microscopy, decreased around 2-fold, with a concomitant increase in motility by about 2-fold. Interestingly, only full length CSP expression conferred maximal flexibility and motility, as opposed to repeat region alone or the flanking domains of CSP. The enhanced motility of the CSP-expressing cells was abrogated with anti-CSP antibodies as well as phospholipase cleavage of CSP, indicating specific contribution of CSP towards motility. Measurements of the Youngs moduli of Plasmodium berghei midgut (MG) and salivary gland (SG) sporozoites revealed an inverse correlation with CSP levels with a decrease from 1.1 kPa to 0.3 kPa as the CSP concentration doubled from MG to SG sporozoites. We hypothesize that high CSP level lowers the stiffness of sporozoites possibly through its pliable surface-coat, leading to cellular flexibility. These findings may explain a sporozoites developmental ability to enhance its CSP levels during transition from midgut to salivary glands to suit a migratory mode in the host, needed for successful hepatocyte invasion.

Abstract Glioblastoma (GBM) is the most common adult malignant brain tumor, with a median survival of 21 months and a 100% recurrence rate. Even though many of the critical oncogenic drivers for GBM have been identified, the basis of gliomagenesis is still under investigation. To identify novel genes that contribute to GBM progression, we performed a genome-wide CRISPR-Cas9 knockout screen. We identified four previously unstudied genes – PSMB3, CHCHD4, SPDYE5, HSPA1 – which had elevated expression in cancer and demonstrated a significant positive correlation with respect to GBM growth and patient survival in vivo and patient datasets. Furthermore, overexpression of PSMB3 and HSPA5 in neural stem cells resulted in transformation to a cancer phenotype. Further investigation of PSMB3, a subunit of the proteasome, allowed us to identify both ubiquitin-mediated and non-ubiquitin-mediated mechanisms of oncogenesis. Ultimately, the data from our CRISPR screens suggests that these genes drive tumor progression, making them promising therapeutic targets for GBM.

STING agonists can reprogram the tumor microenvironment to induce immunological clearance within the central nervous system. Using multiplexed sequential immunofluorescence (SeqIF) and the Ivy Glioblastoma Atlas, STING expression was found in myeloid populations and in the perivascular space. The STING agonist 8803 increased median survival in multiple preclinical models of glioblastoma, including QPP8, an immune checkpoint blockade-resistant model, where 100% of mice were cured. Ex vivo flow cytometry profiling during the therapeutic window demonstrated increases in myeloid tumor trafficking and activation, alongside enhancement of CD8+ T cell and NK effector responses. Treatment with 8803 reprogrammed microglia to express costimulatory CD80/CD86 and iNOS, while decreasing immunosuppressive CD206 and arginase. In humanized mice, where tumor cell STING is epigenetically silenced, 8803 therapeutic activity was maintained, further attesting to myeloid dependency and reprogramming. Although the combination with a STAT3 inhibitor did not further enhance STING agonist activity, the addition of anti-PD-1 antibodies to 8803 treatment enhanced survival in an immune checkpoint blockade-responsive glioma model. In summary, 8803 as a monotherapy demonstrates marked in vivo therapeutic activity, meriting consideration for clinical translation.

Cancer immunoediting shapes tumor progression by the selection of tumor cell variants that can evade immune recognition. Given the immune evasion and intra-tumor heterogeneity intrinsic to gliomas, we hypothesized that CD8+ T-cells mediate immunoediting in these tumors. We evaluated glioma progression in the absence of CD8+ T-cells by depleting this immune cell population in transgenic murine gliomas. Upon transplantation, gliomas that developed in the absence of CD8+ T-cells engrafted poorly in recipients with intact immunity but engrafted well in those with CD8+ T-cell depletion. Gliomas developed in absence of CD8+ T-cells exhibited increased chromosomal instability, MAPK signaling, gene fusions, and macrophage/microglial infiltration. MAPK activation correlated with macrophage/microglial recruitment in this model and in the human disease. Our results indicate that CD8+ T-cells mediate immunoediting during gliomagenesis, influencing the genomic stability of glioma and its microenvironment, leading to immune evasion.

ABSTRACT Glioblastoma (GBM) is the most common type of adult malignant brain tumor, with a median survival of only 21 months. This is partly due to the high rate of resistance to conventional therapy, including temozolomide (TMZ), leading to recurrence rates close to 100%. It still remains unknown what drives the development of this resistance. To identify the unknown genes driving the development of this resistance, we performed a genome-wide CRISPR knockout screen comparing a DMSO-treated population with a TMZ-treated population over 14 days. We identified 4 previously unstudied genes – ARF4 , PLAA, SPTLC1 , and PIGK – that showed significant elevations in expression in recurrent tumors in patient datasets, along with significant survival benefits corresponding to low gene expression. Further investigation of ARF4 , known to be involved in retrograde trafficking, allowed us to identify a mechanism of resistance that is mediated by increased retrograde transport of EGFR into the nucleus. Ultimately, our CRISPR-Cas9 screen has identified a promising therapeutic target, ARF4 , which may drive GBM’s high resistance to chemotherapy.

Abstract The blood-brain barrier (BBB) impedes the passage of most circulating drugs into the brain. Low-intensity pulsed ultrasound with microbubbles (LIPU/MB) transiently opens the BBB, improving drug delivery to the brain. The implication of this transient BBB opening on parenchymal drug permanence is unknown. We compared the parenchymal levels and permanence/retention of temozolomide, carboplatin, and fluorescein, and investigated in a clinical trial (NCT04528680) the effect of LIPU/MB on the permanence of carboplatin and fluorescein in the human brain. Four patients underwent intraoperative LIPU/MB (SonoCloud-9, Carthera) with intravenous carboplatin and fluorescein infusion. Microdialysis catheters were implanted into sonicated and non-sonicated brain for continuous drug measurement over 24 hours. Published data from a microdialysis study of temozolomide were used for comparison. Temozolomide and carboplatin exhibited similar brain-to-plasma AUC ratios (17.8 ± 13.3%; 16.3 ± 8.2%, respectively) which were higher than that of fluorescein (10.4 ± 6.9%). Parenchymal half-life was the longest for fluorescein (13.6 ± 11.0 hours), followed by carboplatin (5.1 ± 1.9 hours) and temozolomide (2.9 ± 1.6 hours). LIPU/MB led to sustained elevated parenchymal drug concentrations, achieving a 3.1-fold increase in AUC for both carboplatin (P = 0.02), and fluorescein (P = 0.04), and higher parenchymal than systemic drug levels starting at 21 hours and 7 hours for these drugs respectively (P < 0.05), timepoints where these drugs had mostly cleared from the plasma. Fluorescein exhibits prolonged permanence in the brain parenchyma and may be “trapped” by the BBB. In the context of transient BBB opening by LIPU/MB, parenchymal carboplatin and fluorescein concentrations remain elevated over time, supporting the notion that the BBB exhibits a bi-directional restriction of drug passage. Future studies are warranted to explore the efficacy of drug trapping to achieve prolonged/sustained exposure of cytotoxic drugs for brain tumor therapy.