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.

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.

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.