Abstract Infant high-grade gliomas appear clinically distinct from their counterparts in older children, indicating that histopathologic grading may not accurately reflect the biology of these tumors. We have collected 241 cases under 4 years of age, and carried out histologic review, methylation profiling, and custom panel, genome, or exome sequencing. After excluding tumors representing other established entities or subgroups, we identified 130 cases to be part of an “intrinsic” spectrum of disease specific to the infant population. These included those with targetable MAPK alterations, and a large proportion of remaining cases harboring gene fusions targeting ALK (n = 31), NTRK1/2/3 (n = 21), ROS1 (n = 9), and MET (n = 4) as their driving alterations, with evidence of efficacy of targeted agents in the clinic. These data strongly support the concept that infant gliomas require a change in diagnostic practice and management. Significance: Infant high-grade gliomas in the cerebral hemispheres comprise novel subgroups, with a prevalence of ALK, NTRK1/2/3, ROS1, or MET gene fusions. Kinase fusion–positive tumors have better outcome and respond to targeted therapy clinically. Other subgroups have poor outcome, with fusion-negative cases possibly representing an epigenetically driven pluripotent stem cell phenotype. See related video: https://vimeo.com/438254885 See related commentary by Szulzewsky and Cimino, p. 904. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 890

We undertook a comprehensive clinical and biological investigation of serial medulloblastoma biopsies obtained at diagnosis and relapse. Combined MYC family amplifications and P53 pathway defects commonly emerged at relapse, and all patients in this group died of rapidly progressive disease postrelapse. To study this interaction, we investigated a transgenic model of MYCN-driven medulloblastoma and found spontaneous development of Trp53 inactivating mutations. Abrogation of p53 function in this model produced aggressive tumors that mimicked characteristics of relapsed human tumors with combined P53-MYC dysfunction. Restoration of p53 activity and genetic and therapeutic suppression of MYCN all reduced tumor growth and prolonged survival. Our findings identify P53-MYC interactions at medulloblastoma relapse as biomarkers of clinically aggressive disease that may be targeted therapeutically.

ABSTRACT Paediatric high grade glioma and diffuse midline glioma (including DIPG) are comprised of multiple biological and clinical subgroups, the majority of which urgently require novel therapies. Patient-derived in vitro primary cell cultures represent potentially useful tools for mechanistic and preclinical investigation based upon their retention of key features of tumour subgroups under experimental conditions amenable to high-throughput approaches. We present 17 novel primary cultures derived from patients in London, Dublin and Belfast, and together with cultures established or shared from Barcelona, Brisbane, Rome and Stanford, assembled a panel of 52 models under 2D (laminin matrix) and/or 3D (neurospheres) conditions, fully credentialed by phenotypic and molecular comparison to the original tumour sample (methylation BeadArray, panel/exome sequencing, RNAseq). In screening a subset of these against a panel of ~400 approved chemotherapeutics and small molecules, we identified specific dependencies associated with tumour subgroups and/or specific molecular markers. These included MYCN -amplified cells and ATM/DNA-PK inhibitors, and DIPGs with PPM1D activating truncating mutations and inhibitors of MDM2 or PARP1. Specific mutations in PDGFRA were found to confer sensitivity to a range of RTK inhibitors, though not all such mutations conferred sensitivity to targeted agents. Notably, dual PDGFRA/FGFR and downstream pathway MEK inhibitors showed profound effects against both PDGFRA-sensitising mutant and FGFR1-dependent non-brainstem pHGG and DIPG. In total, 85% cells were found to have at least one drug screening hit in short term assays linked to the underlying biology of the patient’s tumour, providing a rational approach for individualised clinical translation.

Motivation: Tumour hypoxia is associated with radioresistance and is a negative factor in the prognosis of oral cavity squamous cell carcinoma. Non-invasive methods to rapidly quantify the extent and heterogeneity of tumour hypoxia would offer clinical benefit in treatment planning. Goal(s): To assess the utility of oxygen-enhanced (OE-) MRI to image hypoxia and provide predictive imaging biomarkers of radiation response. Approach: OE-MRI was performed in murine oral carcinoma allografts prior to 8Gy irradiation, and relationships with subsequent overall tumour response sought. Results: Tumours exhibiting voxels with a marked hyperoxia-induced reduction in R2* yet negligible ΔR1 were more radiosensitive. Impact: OE-MRI revealed extensive hypoxia in murine oral carcinoma allografts, and have the potential to predict tumour radiosensitivity based on the combined degree of hypoxia and haemodynamic vasculature.

Motivation: The diffuse growth of paediatric-type diffuse high grade glioma (PDHGG) precludes complete delineation with conventional MRI. Goal(s): Molecular imaging with CEST may improve tumour detection. Approach: Three orthotopic models of PDHGG were assessed using inverse Z-spectrum analysis of CEST data. Results: Clear distinction between tumour and contralateral normal-appearing brain in ssMT and rNOE maps, which relate to macromolecular content, was observed in two well-defined tumour models when analysed using MTRRex and AREX. Similar CEST contrast was also apparent in a third more diffuse model, inconspicuous on T2w-MRI. This CEST approach can successfully stratify PDHGG tumours in vivo. Impact: Relaxation compensated CEST metrics provide novel biochemical contrasts in three orthotopic models of paediatric-type diffuse high grade glioma, enabling detection of diffuse disease, highlighting the clinical potential of CEST contrasts to stratifying tumours.

Motivation: Effective treatment response seen in paediatric-type diffuse high grade glioma with conventional MRI can take months to manifest. Goal(s): Evaluation of 2H-MRS for monitoring the metabolism of deuterated glucose in PDHGG cells and assessing early metabolic response to PI3K inhibition. Approach: PIK3R1 mutant neurospheres were treated with a dual PI3K/mTOR inhibitor for 72 and 24 hours, and 2H spectra dynamically acquired in the presence of [6,6-2H2]-glucose. Results: Treatment significantly reduced glycolytic rates at both timepoints. At 24 hours there was no difference in cell number or viability, highlighting the potential of 2H-MRS to provide an early biomarker of response. Impact: Establishing acute treatment-induced changes in the glycolytic rate of PDHGG neurospheres using 2H-MRS provides confidence in the sensitivity of deuterium metabolic imaging for assessing the early response of orthotopic PDHGG models to PI3K inhibition in vivo.

Motivation: Cancer immunotherapy with cyclic GMP-AMP synthase (cGAS)-stimulator of interferon gene (STING) agonists aims to generate an immune response by T cell priming, activation and infiltration into the tumour microenvironment leading to cell death. Goal(s): The clinical development of STING agonists would benefit from imaging biomarkers that inform on intratumoural pharmacodynamics and potentially anti-tumour response. Approach: Longitudinal diffusion-weighted MRI in a thyroid xenograft model indicated sustained increase in ADC as an imaging biomarker of tumour microenvironment changes following treatment with a STING agonist. Results: The potential use of MRI as an indicator of early STING pathway related pharmacodynamic effects in situ is demonstrated. Impact: Increased ADC is a sensitive, clinically-translatable imaging biomarker of tumour response to a STING agonist.