The Role of Microenviroment in Glioblastoma Progression and Resistance Development

El glioblastoma (GBM) es un tumor cerebral primario altamente heterogéneo, con una tasa de supervivencia muy baja. Recientemente se ha demostrado que su microentorno tumoral complejo tiene un papel esencial en la progresión del tumor y la respuesta a la terapia. Por lo tanto, es crucial identificar todos los componentes y sus interacciones, e incorporarlos en modelos in vitro utilizados para estudios sobre GBM y el desarrollo de nuevas terapias. El desarrollo de nuevas tecnologías en las últimas décadas ha asegurado el progreso en ambos campos mencionados. Diferentes técnicas multiómicas permiten una caracterización detallada de las muestras de los pacientes. Por otro lado, la evolución de las técnicas de cultivo celular y los procesos de fabricación permiten la creación de sistemas in vitro más fisiológicos que el cultivo tradicional en placas de Petri (organ on chip). El principal objetivo de esta tesis fue estudiar el papel del microentorno en la respuesta del GBM al tratamiento con temozolomida (TMZ). Se modificaron dispositivos microfluídicos, desarrollados previamente dentro del grupo, para estudiar el impacto de la concentración de oxígeno en la progresión de GBM. Se demostró que la hipoxia es esencial para la formación del núcleo necrótico y protege a las células del efecto de TMZ. Además, se mejoró el diseño del dispositivo microfluídico para permitir la creación de un sistema más avanzado y controlable. Igualmente, el cultivo de esferoides nos proporcionó un modelo valioso para los estudios de desarrollo de quimio-resistencia. Tras la aplicación de dos ciclos de tratamiento clínico con TMZ, se observó la aparición de una población de esferoides resistentes. Morfológicamente, esos esferoides eran una combinación de esferoides control y esferoides tratados, que tenían un patrón de expresión génica específico. Por último, se utilizó una nueva técnica de transcriptómica espacial para caracterizar mejor las muestras de pacientes con GBM, correlacionando su expresión génica con la ubicación histológica. Esto permitió la identificación de clusters transcriptómicos diferenciales dentro de tejidos aparentemente homogéneos, confirmando la alta heterogeneidad de este tumor, no solo en el aspecto morfológico sino también molecular. Glioblastoma (GBM) is a highly heterogeneous primary brain tumor, with a very low survival rate. It has been shown recently that the complex tumor microenvironment has an essential role in tumor progression and therapy response. Hence, it is crucial to identify all the components and their interactions, and incorporate them in in vitro models used for GBM studies and therapy development. The development of new technologies in the last decades ensured progress in both mentioned fields. Different multiomics techniques allow detailed characterization of the patient samples. On the other hand, the evolution of cell culture techniques and fabrication processes enables the creation of more physiological in vitro systems than traditional Petri dish culture (organ on chip). The main aim of this thesis was to study the role of the microenvironment in the response of GBM to temozolomide (TMZ) treatment. Microfluidic devices, previously developed within the group, were modified to study the impact of oxygen concentration on GBM progression. Hypoxia was shown to be essential for the necrotic core formation and it protected cells from the TMZ effect. Moreover, the microfluidic device design was improved to enable the creation of a more advanced and controllable system. Furthermore, spheroid culture gave us a valuable model for chemoresistance development studies. After the application of two clinical TMZ treatment cycles, the presence of a population of resistant spheroids was observed. Morphologically, those spheroids were a combination of control and treated spheroids, and they had a specific gene expression pattern. Last but not least, a new spatial transcriptomics technique was used to characterize better GBM patient samples correlating their gene expression with the histological location. It enabled the identification of differential transcriptomic clusters within apparently homogeneous tissues, confirming the high heterogeneity of this tumor, not only in a morphological aspect but also molecularly.