Vulnerability of invasive glioblastoma cells to lysosomal membrane destabilization

The current clinical care of glioblastomas leaves behind invasive, radio- and chemo-resistant cells. We recently identified mammary-derived growth inhibitor (MDGI/FABP3) as a biomarker for invasive gliomas. Here, we demonstrate a novel function for MDGI in the maintenance of lysosomal membrane integrity, thus rendering invasive glioma cells unexpectedly vulnerable to lysosomal membrane destabilization. MDGI silencing impaired trafficking of polyunsaturated fatty acids into cells resulting in significant alterations in the lipid composition of lysosomal membranes, and subsequent death of the patient-derived glioma cells via lysosomal membrane permeabilization (LMP). In a preclinical model, treatment of glioma-bearing mice with an antihistaminergic LMP-inducing drug efficiently eradicated invasive glioma cells and secondary tumours within the brain. This unexpected fragility of the aggressive infiltrating cells to LMP provides new opportunities for clinical interventions, such as re-positioning of an established antihistamine drug, to eradicate the inoperable, invasive, and chemo-resistant glioma cells from sustaining disease progression and recurrence.Peer reviewe

Exploring Vulnerabilities in Malignant Glioblastoma

Glioblastoma (GBM), the most common and malignant primary brain tumor in adults, is among the most difficult cancers to treat with a median survival of only 15 months. GBMs are highly complex tumors with several unique features explaining the lack of effective therapies: infiltrative growth of the tumor cells prevents complete surgical removal of the tumor, the blood-brain barrier (BBB) effectively inhibits drug delivery to the tumor site, and identification of subpopulations of glioma stem cells (GSCs) that are an important source of cellular heterogeneity and therapeutic resistance. Novel therapeutic approaches for treatment of these devastating tumors are urgently needed. In this study, we investigated the molecular mechanisms underlying tumor initiation, progression, and therapy resistance of malignant human GBM. We aimed at identifying vulnerabilities that could potentially provide novel therapeutic targets for treatment of GBM. We utilized patient-derived GSC cultures and patient-derived xenograft tumors as models to study GBM. In the first study, we demonstrated that mammary-derived growth inhibitor (MDGI), also known as heart-type fatty acid binding protein 3 (H-FABP/FABP3), was not only highly expressed but also played a significant role in GBM invasion. We identified a novel function for MDGI in maintaining the lysosomal membrane integrity. Unexpectedly, GBM cells were extremely vulnerable to silencing of MDGI expression. We demonstrated that MDGI silencing caused lysosomal membrane permeabilization (LMP), which is an alternative cell death pathway leading to irreversible apoptosis. LMP can be induced by pharmacological agents such as antihistamines. Interestingly, we demonstrated that treatment of patient-derived xenograft tumors with antihistamine clemastine effectively eradicated the invasive tumor cells and prolonged animal survival in a preclinical study in vivo. In the most invasive patient-derived GBM model, treatment with clemastine led to a complete eradication of the tumor. Our results encourage testing clemastine in a clinical trial of patients with GBM. In the second part of this study, we provided important insight into GSC plasticity driving tumorigenesis and therapy resistance of GBM. We identified a molecular mechanism where CD109 physically interacts with glycoprotein 130 (GP130) to regulate the interleukin-6/signal transducer and activator of transcription 3 (IL-6/STAT3) signaling pathway. We further demonstrated that the CD109/STAT3 axis was essential for the maintenance of stemness and plasticity of GSCs. When CD109 was silenced, GSCs differentiated into astrocytic-like cells and were unable to dedifferentiate into the stem-like state. Moreover, the CD109/STAT3 axis was needed for the tumorigenicity of patient-derived xenograft models in vivo. Importantly, genetic targeting of CD109 and pharmacologic inhibition of STAT3 both sensitized the GSCs to chemotherapy. These results suggest that therapeutic targeting of CD109/STAT3 axis in combination with chemotherapy might potentially increase the effect of chemotherapy in patients with GBM and help to overcome the therapy resistance. This study provides important insight into novel disease mechanisms with potential therapeutic implications for GBM patients.Glioblastooma on aikuisten yleisin ja pahanlaatuisin aivokasvain. Nykyisillä hoitomenetelmillä glioblastoomaa ei useimmissa tapauksissa saada parannettua ja potilaiden ennuste on erittäin huono. Glioblastooman huonon ennusteen taustalla vaikuttaa monta eri tekijää. Onnistunut leikkaushoito on hankalaa, koska kasvainsolut tyypillisesti levittäytyvät eli infiltroituvat laajalle alueelle aivoissa. Lisäksi aivoissa oleva veri-aivoeste rajoittaa tehokkaasti monien lääkeaineiden kulkeutumista aivoihin. Glioblastoomissa on myös havaittu olevan kantasoluominaisuuksia omaavia kasvainsoluja. Nämä kantasolujen kaltaiset kasvainsolut ovat plastisia eli mukautuvat mikroympäristöönsä ja ovat tärkeässä osassa kasvaimen heterogeenisyyden ja lääkeresistenttiyden kehittymisessä. Uusien kohdennettujen hoitomenetelmien kehittäminen glioblastoomaan on tärkeää. Tässä tutkimuksessa selvitettiin molekyylitason mekanismeja, jotka edistävät aivokasvainten kasvua, infiltroitumista ja lääkeresistenttiyttä. Tarkoituksena oli löytää uusia haavoittuvuuksia, joita vastaan voitaisiin tulevaisuudessa kehittää kohdennettua hoitoa. Tutkimuksessa hyödynnettiin relevantteja potilaista peräisin olevia solumalleja. Tutkimuksen ensimmäisessä osassa havaitsimme, että mammary-derived growth inhibitor (MDGI) proteiini, joka tunnetaan myös nimellä heart-type fatty acid binding protein 3 (H-FABP/FABP3), ilmentyy voimakkaasti erityisesti infiltroituvissa aivokasvainsoluissa. MDGI:n hiljentäminen johti yllättäen aivokasvainsolujen kuolemaan. Tutkiessamme solukuolemaan liittyviä molekyylimekanismeja osoitimme, että MDGI:llä on tärkeä rooli lysosomien kalvon rakenteen ylläpitämisessä ja sen läpäisevyyden säätelyssä. MDGI:n hiljentäminen aktivoi lysosomi-välitteisen solukuolemamekanismin aivokasvainsoluissa. Lysosomi-välitteinen solukuolema on mahdollista aktivoida myös farmakologisesti. Osoitimme, että aivokasvainsolut olivat herkkiä antihistamiini klemastiinille. Eläinkokeissa klemastiini osoittautui erittäin tehokkaaksi keinoksi päästä eroon infiltroituvista aivokasvainsoluista. Tuloksemme tukevat klemastiinin vaikutuksen tutkimista aivokasvainpotilailla kliinisessä lääketutkimuksessa. Tutkimuksen toisessa osassa tunnistimme uuden signalointimekanismin, jonka avulla aivokasvainsoluissa ylläpidetään kantasoluominaisuuksia ja plastisuutta. Havaitsimme, että aivokasvainsolujen pinnalla ilmentyvä CD109-proteiini on vuorovaikutuksessa glykoproteiini 130:n (GP130) kanssa ja säätelee interleukiini-6/signal transducer and activator of transcription 3 (IL-6/STAT3) signalointireitin aktivoitumista. Osoitimme, että CD109:n ilmentymisen hiljentäminen lisäsi aivokasvainsolujen erilaistumista astrosyyttien kaltaisiksi soluiksi, mikä vähensi merkittävästi solujen tuumorigeenisyyttä eläinkokeissa sekä altisti solut kemoterapialle. Tulostemme perusteella CD109/STAT3 signalointireitin estämisellä aivokasvainsoluissa voisi tulevaisuudessa olla mahdollista parantaa aivokasvaimen kemosensitiivisyyttä. Tämä tutkimus on tuonut uutta ymmärrystä aivokasvaimen pahanlaatuisuuteen liittyvistä mekanismeista, jota voidaan mahdollisesti hyödyntää tulevaisuudessa tehokkaampien hoitomuotojen kehityksessä glioblastoomaan

Immunoglobulin superfamily member 3 is required for the vagal neural crest cell migration and enteric neuronal network organization

Abstract The immunoglobulin (Ig) superfamily members are involved in cell adhesion and migration, complex multistep processes that play critical roles in embryogenesis, wound healing, tissue formation, and many other processes, but their specific functions during embryonic development remain unclear. Here, we have studied the function of the immunoglobulin superfamily member 3 (IGSF3) by generating an Igsf3 knockout (KO) mouse model with CRISPR/Cas9-mediated genome engineering. By combining RNA and protein detection methodology, we show that during development, IGSF3 localizes to the neural crest and a subset of its derivatives, suggesting a role in normal embryonic and early postnatal development. Indeed, inactivation of Igsf3 impairs the ability of the vagal neural crest cells to migrate and normally innervate the intestine. The small intestine of Igsf3 KO mice shows reduced thickness of the muscularis externa and diminished number of enteric neurons. Also, misalignment of neurons and smooth muscle cells in the developing intestinal villi is detected. Taken together, our results suggest that IGSF3 functions contribute to the formation of the enteric nervous system. Given the essential role of the enteric nervous system in maintaining normal gastrointestinal function, our study adds to the pool of information required for further understanding the mechanisms of gut innervation and etiology behind bowel motility disorders