Glioblastoma (GBM) is the most frequent and most aggressive primary adult brain tumour, with an expected survival time of only 12-15 months from diagnosis and a 5-year survival rate of 5%. Despite intensive research, treatment outcomes for GBM have barely improved over the past decades. Invasion of tumour cells into the surrounding brain tissue and significant genetic and transcriptional heterogeneity have impeded therapeutic progress. In the work presented here, we harness recent advances in organoid generation and single-cell sequencing technologies to establish an experimental model system of glioblastoma invasion into brain organoids. We establish human brain organoids from induced pluripotent stem cells (iPSCs) and co-culture them with fluorescently labelled patient-derived GBM cells. Tumour cells invade into organoids within three days and extend membrane-bound microtubes that are up to 450 μm long, mirroring the formation of GBM cell networks previously observed in vivo. Invasion is visualised and quantified by tissue clearing and confocal microscopy. Our model is highly scalable and reproducible, enabling the study of the invasion process on clinically relevant timescales of less than one month in high-throughput applications. Single-cell transcriptomics analyses of GBM cells before and after co-culture with organoid cells reveal substantial interpatient heterogeneity, but also identify transcriptional changes that are consistent across patients and may thus be generally implicated in the interactions of tumour cells with normal brain cells. Novel treatment strategies targeting tumour invasion and microtube formation could therefore provide clinical benefit to GBM patients in the future. Together, these results demonstrate the utility of our experimental system for modelling glioblastoma invasion in vitro to improve our understanding of glioblastoma biology, as well as our ability to develop targeted therapies and select personalised treatment approaches for this as yet uncurable disease.
Glioblastome (GBM) sind die häufigsten und aggressivsten primären Hirntumore bei Erwachsenen, mit einer Lebenserwartung von nur 12-15 Monaten ab der Diagnose und einer 5-Jahres-Überlebensrate von 5%. Trotz intensiver Forschung haben sich die Behandlungsergebnisse für GBM in den letzten Jahrzehnten kaum verbessert. Die Invasion von Tumorzellen in das umliegende Hirngewebe sowie die signifikante genetische und transkriptionelle Heterogenität erschweren Fortschritte in der Therapie. In der hier vorgestellten Arbeit nutzen wir neuere Entwicklungen in der Generierung von Organoiden und der Einzelzellsequenzierung, um die Invasion von GBM-Zellen in Hirnorganoide experimentell zu modellieren. Wir etablieren humane Hirnorganoide basierend auf induzierten pluripotenten Stammzellen und kultivieren sie gemeinsam mit fluoreszenzmarkierten GBM-Zellen. Tumorzellen migrieren innerhalb von drei Tagen in die Organoide hinein und entwickeln membranumhüllte, schlauchförmige Ausstülpungen, genannt ‚microtubes‘, die bis zu 450 μm lang werden. Sie spiegeln damit die Ausbildung von Netzwerken aus Glioblastomzellen wider, die bereits in vivo beobachtet wurde. Mittels Gewebereinigung und Konfokalmikroskopie visualisieren und quantifizieren wir die Tumorinvasion. Unser Modell ist hochgradig skalierbar und reproduzierbar und ermöglicht so die Untersuchung des Invasionsprozesses innerhalb klinisch relevanter Zeiträume von weniger als einem Monat in Hochdurchsatzverfahren. Einzelzell-Transkriptomanalysen von GBM-Zellen vor und nach Ko-Kultur mit Organoidzellen offenbaren erhebliche Heterogenität zwischen Patienten, identifizieren aber auch übereinstimmende transkriptionelle Veränderungen über alle Patienten hinweg, die generell zur Interaktion von Tumorzellen mit normalen Hirnzellen beitragen könnten. Neuartige Behandlungsstrategien, die auf die Tumorinvasion und die Bildung von ‚microtubes‘ abzielen, könnten daher zukünftig klinischen Nutzen für Patienten mit Glioblastomen bringen. Insgesamt demonstrieren unsere Ergebnisse die Anwendung unseres experimentellen Systems zur Modellierung der Invasion von Glioblastomen in vitro. Unser Modell kann dazu beitragen, unser Verständnis dieser bislang unheilbaren Erkrankung zu verbessern, zielgerichtete Therapien zu entwickeln und personalisierte Behandlungsstrategien zu ermitteln.
