Abstract The identity and unique capacity of cancer stem cells (CSC) to drive tumor growth and resistance have been challenged in brain tumors. Here we report that cells expressing CSC-associated cell membrane markers in Glioblastoma (GBM) do not represent a clonal entity defined by distinct functional properties and transcriptomic profiles, but rather a plastic state that most cancer cells can adopt. We show that phenotypic heterogeneity arises from non-hierarchical, reversible state transitions, instructed by the microenvironment and is predictable by mathematical modeling. Although functional stem cell properties were similar in vitro, accelerated reconstitution of heterogeneity provides a growth advantage in vivo, suggesting that tumorigenic potential is linked to intrinsic plasticity rather than CSC multipotency. The capacity of any given cancer cell to reconstitute tumor heterogeneity cautions against therapies targeting CSC-associated membrane epitopes. Instead inherent cancer cell plasticity emerges as a novel relevant target for treatment.

Background: The restoration of a natural volume distribution is a major goal in facial rejuvenation. The aims of this study were to establish a radiographic method enabling effective measurements of the midfacial fat compartments and to compare the anatomy between human cadavers of younger versus older age. Methods: Data from computed tomographic scans of 12 nonfixed cadaver heads, divided into two age groups (group 1, 54 to 75 years, n = 6; and group 2, 75 to 104 years, n = 6), were analyzed. For evaluation of the volume distribution within a specific compartment, the sagittal diameter of the upper, middle, and lower thirds of each compartment was determined. For evaluation of a “sagging” of the compartments, the distance between the cephalad border and the infraorbital rim was determined. Results: Computed tomography enables a reproducible depiction of the facial fat compartments and reveals aging changes. The distance between the fat compartments and the infraorbital rim was higher in group 2 compared with group 1. The sagittal diameter of the lower third of the compartments was higher, and the sagittal diameter of the upper third was smaller in group 2 compared with group 1. The buccal extension of the buccal fat pad was shown to be an independent, separate compartment. Conclusions: This study demonstrates an inferior migration of the midfacial fat compartments and an inferior volume shift within the compartments during aging. Additional distinct compartment-specific changes (e.g., volume loss of the deep medial cheek fat and buccal extension of the buccal fat pad) contribute to the appearance of the aged face.

Abstract BACKGROUND Cellular heterogeneity has been well established within numerous cancer types, including malignant brain tumours. Initially, cancer stem cells (CSC) have been accounted for formation of phenotypic heterogeneity and tumor progression in glioblastoma (GBM). Recent data, however, suggest that CSCs may not represent a stable entity and intrinsic plasticity plays a key role in tumor adaptation to changing microenvironments. The question arises whether CSCs are a defined subpopulation of tumor cells or whether they represent a changing entity that any cancer cell can adopt depending on the environmental conditions. MATERIAL AND METHODS Intra-tumoral phenotypic heterogeneity was interrogated at the single cell transcriptomic and proteomic level in GBM patient-derived orthotopic xenografts (PDOXs) and stem-like cultures. Tumor cell subpopulations were further classified based on expression of four stem cell-associated membrane markers (CD133, CD15, A2B5 and CD44). The resulting 16 subpopulations were FACS isolated and functionally analyzed. Mathematical Markov modelling was applied to calculate state transitions between cell states. RESULTS GBM patient biopsies, PDOXs and stem-like cell cultures display remarkable stem cell-associated intra-tumoral heterogeneity. Independent of marker expression, all analysed tumor subpopulations carried stem-cell properties and had the capacity to recreate phenotypic heterogeneity. Mathematical modeling revealed a different propensity in reforming the original heterogeneity over time, which was independent of the proliferation index but linked to tumorigenic potential. Although subpopulations varied in their potential to adapt to new environments, all were able to reach a steady state microenvironment-specific equilibrium. CONCLUSION Our results suggest that phenotypic heterogeneity in GBM results from intrinsic plasticity allowing tumor cells to effectively adapt to new microenvironments. Cellular states are non-hierarchical, reversible and occur via stochastic state transitions of existing populations, striving towards an equilibrium instructed by the microenvironment. Our data provides evidence that CSCs do not represent a clonal entity defined by distinct functional properties and transcriptomic signatures, but rather a cellular state that is determined by environmental conditions, which has implications for the design of treatment strategies targeting CSC-like states.

Cancer development is a multistep process in which cells increase in malignancy through progressive alterations. The early phase of this process is hardly observable which aggravates an understanding of later tumor development. We shed light on this initial phase with a cell-based stochastic model calibrated with epidemiological data from the tissue scale. Our model allows to estimate the number of tumor cells needed for tumor formation in human tissues based on data on the diagnosed ratios of benign and malignant tumors. We find that the minimal number of cells needed for tumor formation is surprisingly small and largely depends on the tissue type. Our results point towards the existence of tumor-originating niches in which the fate of tumor development is early decided. Our estimate for the human colon agrees well with the size of the stem cell niche in colonic crypts. Our estimates might help to identify the tumor-originating cell type, e.g. our analysis suggests for glioblastoma that the tumors originate from a cell type competing in a range of 300 - 1900 cells.

Abstract BACKGROUND Cellular heterogeneity is a hallmark of numerous cancer types, including Glioblastoma (GBM). Cancer stem cells (CSC) have been accounted for the generation of phenotypic heterogeneity and tumor progression in GBM. Recent data, however, suggest that CSCs may not represent a stable entity and intrinsic plasticity plays a key role in tumor adaptation to changing microenvironments. The question arises whether CSCs are a defined subpopulation of GBM or whether they represent a cellular state that any cancer cell can adopt. METHODS We interrogated intra-tumoral phenotypic heterogeneity at the single cell transcriptomic and proteomic level in GBM biopsies, patient-derived stem-like cultures and orthotopic xenografts (PDOXs). Tumor cell subpopulations, classified based on their expression of four proposed stem cell markers (CD133, CD15, A2B5 and CD44), were FACS isolated and functionally characterized under various microenvironmental conditions. Mathematical Markov modelling was applied to calculate state transitions. RESULTS GBM patient biopsies, PDOXs and stem-like cell cultures displayed remarkable stem cell-associated intra-tumoral heterogeneity. However independent of marker expression, all analysed tumor subpopulations carried stem-cell properties and recreated phenotypic heterogeneity. Mathematical modeling revealed a different propensity in reforming heterogeneity over time, which was independent of the proliferation index but linked to in vivo tumorigenic potential. Although GBM subpopulations varied in their potential to adapt to new environments, all were able to reach a steady state microenvironment-specific equilibrium. CONCLUSIONS Our results suggest that phenotypic heterogeneity in GBM results from intrinsic plasticity allowing tumor cells to adapt to changing microenvironmental conditions. Cellular states are non-hierarchical, reversible and occur via stochastic state transitions, striving towards a microenvironment-instructed equilibrium. Our data provides evidence that CSCs do not represent a defined clonal entity, but rather a cellular state determined by environmental conditions, which has implications for the design of treatment strategies targeting CSC-like states.