Investigating the anti-tumoural effect of novel therapeutics in cell lines generated from patient-derived glioblastoma organoids

Abstract

Glioblastom (GBM) er klassifisert som en grad 4 hjernesvulst og er beryktet for sin aggressive og diffuse vekst. Etter diagnose har kreften en median overlevelse på under 15 måneder. Betydelige utfordringer oppstår på grunn av svulstens ekstreme heterogenitet, en nesten uunngåelig behandlingsresistens til eksisterende alternativer og fraværet av biomarkører som begrenser behandlingsmulighetene. Flere faktorer peker på bruken av persontilpasset medisin for å bekjempe GBM, noe som krever pålitelige pasient-deriverte cellemodeller for å skille mellom respondere og ikke-respondere i en preklinisk setting. Inspirert av det revolusjonære arbeidet til Jacobs et al. som fremla en metode for å effektivt generere pasient-deriverte glioblastom organoider (PD-GBOs) som bevarer viktige karaktertrekk i sammenligning til det opprinnelige tumorvevet, har vi etablert en gliom biobank som inneholder GBOs. I tillegg har vi dannet 2D modeller fra PD-GBOs som vi brukte til å utforske effekten av nye GBM medikamenter. Vi har en metode for medikamentscreening som går ut på å forhåndsvelge de beste kandidatene gjennom behandling av kommersielle gliomceller, og etablere toksisitet på friske celler, for å så validere effektene til disse aktuelle medikamentkandidatene på våre pasient-deriverte modeller. Vi utførte kombinasjonsterapi med medikamenter som angriper kreftcellene gjennom ulike mekanismer, som resulterte i flere ledende kombinasjonsterapier som hadde effekt i pasient-deriverte celler. Vi demonstrerte at i.) Neil DNA glykosylaser her en rolle i å regulere guanin-rike sekundærestrukturer i DNA (G-quadruplex), som resulterte i en kreftspesifikk antiproliferativ effekt hos GBM pasient-deriverte celler. Vi oppdaget at ii.) BH3-etterlignere, som binder anti-apoptotiske proteiner, økte cytotoksisiteten av temozolomid som er førstevalget av cellegift ved behandling av GBM. Monobehandling av utvalgte iii.) formylpeptid ligander som binder formylpeptid reseptorer, en relevant reseptor i utviklingen av unormal EGFR signalisering i GBM, hadde god effekt i pasient-deriverte cellemodeller. Vi observerte også ut at iv.) potentiator 14 (POT14) som tilhører kategorien membran aktive peptider, økte den kreftdrepende virkningen av PDS, en G4 ligand som stabiliserer G4 strukturer, og kan defineres som en transportør av denne. For å oppsummere har vi etablert en relevant klinisk modell utviklet fra PD-GBOs, og utført medikamentscreening som muliggjorde oppdagelse av nye GBM medikamenter. De prekliniske resultatene presentert er relevant for bruken av persontilpasset medisin i GBM, som burde videreføres i fremtidig forskning på respons i ulike gliomdiagnoser.

Glioblastoma (GBM) is a grade IV primary brain tumour notorious for its aggressive and highly invasive nature, resulting in a median survival of less than 15 months post-diagnosis. Significant challenges are posed by the tumour’s extreme heterogeneity, almost inevitable resistance to existing therapies, and the absence of biomolecular markers limiting the treatment options. It is becoming evident that personalized medicine is necessary to defeat GBM, which demands reliable patient-derived models to distinguish between responders and non-responders to treatments in a pre-clinical setting. Inspired by the revolutionary research of Jacob et al. for developing patient-derived glioblastoma organoids (PD-GBOs) faithfully recapitulating the characteristics of the original tumour, we have established a glioma biobank consisting of GBOs. Additionally, we have generated 2D models from PD-GBOs which we used for exploration of novel GBM therapeutics. Our drug screening pipeline allows for efficient drug preselection on commercial glioma, establishing the toxicity profile on healthy human cells, and, finally, validating the antitumour effect of top candidate treatments on patient-derived material. We performed combinatory screening with drug compounds targeting the cancer cells through different mechanisms, resulting in several lead cotreatments sensitising patient-derived cells. We demonstrate that i.) novel functions of Neil DNA glycosylase in regulating guanine-rich secondary DNA structures (G-quadruplexes) resulted in a cancer-selective antiproliferative effect in GBM patient-derived cells. We discovered that ii.) BH3 mimetics that target anti-apoptotic proteins boosted the cytotoxic effect of the current first-in-line chemotherapy (temozolomide) used in glioblastoma treatment. The monotreatment of selected iii.) formylpeptide ligands binding to formyl-peptide receptor, known co-activator of oncogenic glioma driver EGFR, affected the survival of patient-derived 2D monolayers. Finally, we found that iv.) the membrane active peptide potentiator 14 (POT14) enhanced the anticancer effect of the small molecule PDS that stabilises G4 structures, plausibly acting as functional carrier of this G4 ligand. In summary, we have established clinically valid patient models generated from PD-GBOs and set up a drug screening pipeline that enables the discovery of novel glioblastoma therapeutics. Our preclinical data retrieved from the employed drug-screening strategy may pave the way for individualized medicine and might be easily extended into high-throughput manner in the future.