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Das Glioblastom (WHO Grad IV) ist der häufigste und aggressivste hirneigene Tumor des erwachsenen Menschen. Trotz Standardtherapie, bestehend aus neurochirurgischer Resektion aller im MRT kontrastmittelaufnehmenden Tumoranteile, Radiotherapie und Chemotherapie mit Temozolomid, liegt das mittlere Überleben der Patienten bei nur knapp über einem Jahr.
In früheren Arbeiten unserer Gruppe wurde die PSGL-1-Expression auf Tumor-assoziierten Makrophagen (TAM) mittels FACS und Immunhistochemie (IHC) untersucht. Die FACS- und IHC-Ergebnisse korrelierten nicht miteinander, da die Proben für beide Methoden aus unterschiedlichen Regionen im Tumor stammten. Die vorliegende Studie zielte darauf ab, die intratumorale Heterogenität sowie Phänotypen von TAM und Zytokinen beim GBM mit besonderem Fokus auf der PSGL-1-Expression zu untersuchen. Tumorproben von elf GBM-Patienten wurden zum Zeitpunkt der Erstdiagnose unter neuronavigatorischer Anleitung aus bis zu sechs verschiedenen definierten Regionen pro Tumor des kontrastverstärkten Tumorrandes gewonnen. Anschließend wurden die Proben sofort eingefroren. Insgesamt 12 Antigene wurden mittels Immunfluoreszenzfärbung (IF) als Komplett-Aufnahmen von Gewebeschnitten mikroskopiert und digital zusammengefügt. Die IF-Analyse erfolgte ausschließlich Algorithmus-basiert. Die Flüssigkeitsüberstände der 24-stündig inkubierten Tumorproben wurden durchflusszytometrisch gemessen. Die Gesamtexpressionsintensitäten sowie die Heterogenität der Expressionen zwischen verschiedenen Regionen eines Tumors wurde formelbasiert quantifiziert. Erwartungsgemäß zeigte sich GFAP als Tumorzellmarker mit dem höchsten Expressionsniveau über alle Patienten und Probenorte hinweg. Ein mittleres Expressionsniveau zeigte sich für CCR7, CD204, Arg1, iNOS, CD163 und CSF1R. MHC-II, CD206, CD16 und CD68 gehörten zu den niedrig exprimierten Antigenen. Interessanterweise zeigten diese niedrig exprimierten Antigene den höchsten Score bei der Bewertung der intratumoralen Heterogenität. Die geringste intratumorale Heterogenität wurde bei der GFAP-Expression gesehen (Score 5,5).
Die vorliegende Studie zeigt eine ausgeprägte intratumorale Heterogenität der gemeinsamen Oberflächenexpressionsmarker von TAM sowie der Zytokine im GBM. Insbesondere niedrig exprimierte Antigene, wie PSGL-1, weisen eine hohe intratumorale Heterogenität auf. Dennoch haben die TAM einen überwiegend antiinflammatorischen Phänotyp. Dies zeigt, dass immunologische Studien mit einer Probe pro Tumor in ihrer Aussagekraft eher begrenzt sind.
Gas Plasma Exposure of Glioblastoma Is Cytotoxic and Immunomodulatory in Patient-Derived GBM Tissue
(2022)
Simple Summary
Despite treatment advances, glioblastoma multiforme (GBM) remains an often-fatal disease, motivating novel therapeutic avenues. Gas plasma is a technology that has been recently employed in preclinical oncology research and acts primarily via reactive oxygen-species-induced cell death. In addition, the modulation of immune processes and inflammation have been ascribed to gas plasma exposure. This is the first study that extends those observations from in vitro investigations to a set of 16 patient-derived GBM tumor biopsies analyzed after gas plasma treatment ex vivo. Besides cell culture results showing cell cycle arrest and apoptosis induction, an immunomodulatory potential was identified for gas plasma exposure in vitro and cultured GBM tissues. The proapoptotic action shown in this study might be an important step forward to the first clinical observational studies on the future discovery of gas plasma technology’s potential in neurosurgery and neuro-oncology.
Abstract
Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common primary malignant adult brain tumor. Therapeutic options for glioblastoma are maximal surgical resection, chemotherapy, and radiotherapy. Therapy resistance and tumor recurrence demand, however, new strategies. Several experimental studies have suggested gas plasma technology, a partially ionized gas that generates a potent mixture of reactive oxygen species (ROS), as a future complement to the existing treatment arsenal. However, aspects such as immunomodulation, inflammatory consequences, and feasibility studies using GBM tissue have not been addressed so far. In vitro, gas plasma generated ROS that oxidized cells and led to a treatment time-dependent metabolic activity decline and G2 cell cycle arrest. In addition, peripheral blood-derived monocytes were co-cultured with glioblastoma cells, and immunomodulatory surface expression markers and cytokine release were screened. Gas plasma treatment of either cell type, for instance, decreased the expression of the M2-macrophage marker CD163 and the tolerogenic molecule SIGLEC1 (CD169). In patient-derived GBM tissue samples exposed to the plasma jet kINPen ex vivo, apoptosis was significantly increased. Quantitative chemokine/cytokine release screening revealed gas plasma exposure to significantly decrease 5 out of 11 tested chemokines and cytokines, namely IL-6, TGF-β, sTREM-2, b-NGF, and TNF-α involved in GBM apoptosis and immunomodulation. In summary, the immuno-modulatory and proapoptotic action shown in this study might be an important step forward to first clinical observational studies on the future discovery of gas plasma technology’s potential in neurosurgery and neuro-oncology especially in putative adjuvant or combinatory GBM treatment settings.