High-throughput identification of repurposable neuroactive drugs with potent anti-glioblastoma activity

Sohyon Lee, Tobias Weiss, Marcel Bühler, Julien Mena, Zuzanna Lottenbach, Rebekka Wegmann, Miaomiao Sun, Michel Bihl, Bartłomiej Augustynek, Sven P. Baumann, Sandra Goetze, Audrey van Drogen, Patrick G. A. Pedrioli, David Penton, Yasmin Festl, Alicia Buck, Daniel Kirschenbaum, Anna M. Zeitlberger, Marian C. Neidert, Flavio Vasella, Elisabeth J. Rushing, Bernd Wollscheid, Matthias A. Hediger, Michael Weller & Berend Snijder 

https://doi.org/10.1038/s41591-024-03224-y.

Abstract

Glioblastoma, the most aggressive primary brain cancer, has a dismal prognosis, yet systemic treatment is limited to DNA-alkylating chemotherapies. New therapeutic strategies may emerge from exploring neurodevelopmental and neurophysiological vulnerabilities of glioblastoma. To this end, we systematically screened repurposable neuroactive drugs in glioblastoma patient surgery material using a clinically concordant and single-cell resolved platform. Profiling more than 2,500 ex vivo drug responses across 27 patients and 132 drugs identified class-diverse neuroactive drugs with potent anti-glioblastoma efficacy that were validated across model systems. Interpretable molecular machine learning of drug–target networks revealed neuroactive convergence on AP-1/BTG-driven glioblastoma suppression, enabling expanded in silico screening of more than 1 million compounds with high patient validation accuracy. Deep multimodal profiling confirmed Ca²⁺-driven AP-1/BTG-pathway induction as a neuro-oncological glioblastoma vulnerability, epitomized by the anti-depressant vortioxetine synergizing with current standard-of-care chemotherapies in vivo. These findings establish an actionable framework for glioblastoma treatment rooted in its neural etiology.

1 . 연구 배경

·         교모세포종(Glioblastoma)은 예후가 매우 나쁨.

·         현재 전신 치료는 사실상 DNA 알킬화제(temozolomide 등)에 제한됨.

·         새로운 치료 전략이 필요함.

·         저자들은 GBM의 “신경학적 특성(neural etiology)”에 주목.

2 . 연구 방법

·         27명 환자 수술 조직 사용

·         132개 기존 신경계 약물(neuroactive drugs) 스크리닝

·         2,500개 이상 ex vivo 약물 반응 분석

·         단일세포(single-cell) 해상도 플랫폼 사용

·         기계학습 기반 약물-표적 네트워크 분석

3. 주요 결과

• 여러 계열의 신경활성 약물이 강한 항-GBM 효과 보임

·         기존 승인 약물 중 항암 효과 후보 발견

·         다양한 모델에서 검증 완료

• 공통 작용 기전 발견

·         약물 효과가 AP-1 / BTG 경로 활성화로 수렴

·         Ca²⁺(칼슘) 신호가 핵심 매개 인자

•  AI 기반 확장

·         100만 개 이상 화합물 in silico 스크리닝 가능

·         환자 검증 정확도 높음

• 대표 약물

·         항우울제 Vortioxetine

·         기존 표준 항암요법과 병용 시 in vivo에서 상승효과(synergy)

Fig. 1 | 교모세포종에서 단일세포 기반 ex vivo 약물 프로파일링의 임상적 일치성

a

27명의 교모세포종 환자 코호트를 대상으로 한 전향적 다중모달 분석과, 다양한 교모세포종 질환 모델을 제시한다.각 데이터 유형별 환자 수가 표시되어 있다.

b

각 유전자에 대해, 아형(subpopulation)별(x축) 유전자 발현 세포의 비율(y축)을 나타낸다 (n = 22명; 점 하나가 한 환자를 의미하며, 점의 모양은 사용된 scRNA-seq 데이터셋을 나타냄).P값은 양측 Wilcoxon 검정으로 계산하였다.

박스플롯은 25–75 백분위수를 나타내며 중앙선은 중앙값을 의미한다.수염(whisker)은 사분위 범위(IQR)의 1.5배까지 확장된다.

c

b에서 사용한 scRNA-seq 데이터에 기반한 추정 copy number alteration(CNA) 분석.같은 환자 샘플은 회색 선으로 연결되어 있다.CNA가 검출된 세포 비율이 5% 미만인 환자는 제외하였다.

d

전향적 코호트(n = 27명)의 전체 개요.전체 코호트 정보는 보충표 1(Supplementary Table 1)을 참고.conf. = confidence (신뢰도).

e

교모세포종 환자 샘플을 이용한 실시간 영상 기반 ex vivo 약물 스크리닝(PCY)의 워크플로우.

f

교모세포종 환자 샘플(P040)의 면역형광(IF) 이미지 예시.스케일 바: 60 μm.

g

PCY를 통해 측정한 전향적 교모세포종 코호트의 기저 세포 구성(baseline cellular composition).밑줄이 표시된 환자는 재발성 교모세포종 환자임을 의미한다.

h

GSD(기존 교모세포종 표준 약물; 3개 약물) 반응을 환자별로 나타낸 것(열: 환자, 행: 약물).TMZ와 lomustine/carmustine(CCNU, BCNU)의 경우 농도별 반응을 평균하여 표시하였다.

i, j

새로 진단된 교모세포종 환자의 생존을 ex vivo TMZ 민감도에 따라 분류하였다(분석 대상 세포: Nestin⁺/S100B⁺ 및 CD45⁻ 세포).파란색 = TMZ 민감빨간색 = TMZ 저항

Kaplan–Meier 생존곡선은 log-rank(Mantel–Cox) 검정으로 비교하였다.환자 분류에 사용된 TMZ PCY 점수의 최적 절단값은 maximally selected rank statistics 방법으로 결정하였다.

i

전향적 코호트(n = 16명, 생존 정보가 있는 환자)의 무진행 생존기간(PFS)을 TMZ PCY 점수(100 μM 기준)에 따라 분류하였다.

틱 표시는 관찰 종료 시점까지 진행되지 않은 경우를 의미한다.

j

후향적 코호트(n = 18명)의

·         PFS(왼쪽)

·         전체 생존(OS, 오른쪽)을 평균 TMZ PCY 점수에 따라 분류하였다.

k

두 코호트를 합한 34명의 환자에서, TMZ PCY 점수를 임상적으로 보고된 1차 TMZ 동시항암방사선치료 후 PFS7 중앙값에 따라 분류하였다.Wilcoxon 검정을 사용하였다.

l

두 코호트 전체(n = 41명)의 TMZ(50 μM) PCY 점수를 MGMT 프로모터 메틸화 상태에 따라 분류하였다.Wilcoxon 검정 사용.박스플롯 형식은 b와 동일하다.

약어

GBM = Glioblastoma (교모세포종)