Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common and lethal type of brain cancer. To identify the genetic alterations in GBMs, we sequenced 20,661 protein coding genes, determined the presence of amplifications and deletions using high-density oligonucleotide arrays, and performed gene expression analyses using next-generation sequencing technologies in 22 human tumor samples. This comprehensive analysis led to the discovery of a variety of genes that were not known to be altered in GBMs. Most notably, we found recurrent mutations in the active site of isocitrate dehydrogenase 1 ( IDH1 ) in 12% of GBM patients. Mutations in IDH1 occurred in a large fraction of young patients and in most patients with secondary GBMs and were associated with an increase in overall survival. These studies demonstrate the value of unbiased genomic analyses in the characterization of human brain cancer and identify a potentially useful genetic alteration for the classification and targeted therapy of GBMs.

The development of noninvasive methods to detect and monitor tumors continues to be a major challenge in oncology. We used digital polymerase chain reaction-based technologies to evaluate the ability of circulating tumor DNA (ctDNA) to detect tumors in 640 patients with various cancer types. We found that ctDNA was detectable in >75% of patients with advanced pancreatic, ovarian, colorectal, bladder, gastroesophageal, breast, melanoma, hepatocellular, and head and neck cancers, but in less than 50% of primary brain, renal, prostate, or thyroid cancers. In patients with localized tumors, ctDNA was detected in 73, 57, 48, and 50% of patients with colorectal cancer, gastroesophageal cancer, pancreatic cancer, and breast adenocarcinoma, respectively. ctDNA was often present in patients without detectable circulating tumor cells, suggesting that these two biomarkers are distinct entities. In a separate panel of 206 patients with metastatic colorectal cancers, we showed that the sensitivity of ctDNA for detection of clinically relevant KRAS gene mutations was 87.2% and its specificity was 99.2%. Finally, we assessed whether ctDNA could provide clues into the mechanisms underlying resistance to epidermal growth factor receptor blockade in 24 patients who objectively responded to therapy but subsequently relapsed. Twenty-three (96%) of these patients developed one or more mutations in genes involved in the mitogen-activated protein kinase pathway. Together, these data suggest that ctDNA is a broadly applicable, sensitive, and specific biomarker that can be used for a variety of clinical and research purposes in patients with multiple different types of cancer.

Genomic analysis of a childhood cancer reveals markedly fewer mutations than what is typically seen in adult cancers.

BACKGROUND: Malignant cells must maintain their telomeres, but genetic mechanisms responsible for telomere maintenance in tumors have only recently been discovered. In particular, mutations of the telomere binding proteins alpha thalassemia/mental retardation syndrome X-linked (ATRX) or death-domain associated protein (DAXX) have been shown to underlie a telomere maintenance mechanism not involving telomerase (alternative lengthening of telomeres), and point mutations in the promoter of the telomerase reverse transcriptase (TERT) gene increase telomerase expression and have been shown to occur in melanomas. METHODS: To further define the tumor types in which TERT plays a role, we surveyed 1,230 tumors of 60 different types. We also analyzed the relationship between median overall survival (OS) of patients with IDH1/2 and TERT promoter mutations in a panel of 473 adult gliomas with the hypothesis that genetic signatures capable of distinguishing among several types of gliomas could be established providing clinically relevant information that can serve as an adjunct to histopathological diagnosis. RESULTS: We found that tumors could be divided into types with low and high frequencies of TERT promoter mutations. The nine TERT-high tumor types almost always originated in tissues with relatively low rates of self renewal, including melanomas, liposarcomas, hepatocellular carcinomas, urothelial carcinomas, squamous cell carcinomas of the tongue, medulloblastomas, and subtypes of gliomas. TERT and ATRX mutations were mutually exclusive, suggesting that these two genetic mechanisms confer equivalent selective growth advantages. We found that mutations in the TERT promoter occurred in 74.2% of glioblastomas (GBM), but occurred in a minority of Grade II-III astrocytomas (18.2%). In contrast, IDH1/2 mutations were observed in 78.4% of Grade II-III astrocytomas, but were uncommon in primary GBM. In oligodendrogliomas, TERT promoter and IDH1/2 mutations co-occurred in 79% of cases. Patients whose Grade III-IV gliomas exhibit TERT promoter mutations alone predominately have primary GBMs associated with poor median OS rates (11.5 months). Patients whose gliomas exhibit IDH1/2 mutations alone predominately have astrocytic morphologies and exhibit a median OS of 57 months while patients whose tumors exhibit both TERT promoter and IDH1/2 mutations predominately exhibit oligodendroglial morphologies and exhibit median OS of 125 months. CONCLUSIONS: In addition to their implications for understanding the relationship between telomeres and tumorigenesis, TERT mutations provide a biomarker that may aid in the classification and prognostication of brain tumors. SECONDARY CATEGORY: Tumor Biology.

Surgery is first-line therapy for glioblastoma, and there is evidence that gross total resection is associated with improved survival. Gross total resection, however, is not always possible, and relationships among extent (percent) of resection (EOR), residual volume (RV), and survival are unknown. The goals were to evaluate whether there is an association between EOR and RV with survival and recurrence and to establish minimum EOR and maximum RV thresholds. Adult patients who underwent primary glioblastoma surgery from 2007 to 2011 were retrospectively reviewed. Three-dimensional volumetric tumor measurements were made. Multivariate proportional hazards regression analysis was used to evaluate the relationship between EOR and RV with survival and recurrence. Of 259 patients, 203 (78%) died and 156 (60%) had tumor recurrence. The median survival and progression-free survival were 13.4 and 8.9 months, respectively. The median (interquartile range) pre- and postoperative tumor volumes were 32.2 (14.0–56.3) and 2.1 (0.0–7.9) cm3, respectively. EOR was independently associated with survival (hazard ratio [HR], 0.995; 95% confidence interval [CI]: 0.990–0.998; P = .008) and recurrence (HR [95% CI], 0.992 [0.983–0.998], P = .005). The minimum EOR threshold for survival (P = .0006) and recurrence (P = .005) was 70%. RV was also associated with survival (HR [95% CI], 1.019 [1.006–1.030], P = .004) and recurrence (HR [95% CI], 1.024 [1.001–1.044], P = .03). The maximum RV threshold for survival (P = .01) and recurrence (P = .01) was 5 cm3. This study shows for the first time that both EOR and RV are significantly associated with survival and recurrence, where the thresholds are 70% and 5 cm3, respectively. These findings may help guide surgical and adjuvant therapies aimed at optimizing outcomes for glioblastoma patients.

Significance Outcomes for individuals with central nervous system (CNS) malignancies remain abysmal. A major challenge in managing these patients is the lack of reliable biomarkers to monitor tumor dynamics. Consequently, many patients undergo invasive surgical procedures to determine disease status or experience treatment delays when radiographic testing fails to show disease progression. We show here that primary CNS malignancies shed detectable levels of tumor DNA into the surrounding cerebrospinal fluid (CSF), which could serve as a sensitive and exquisitely specific marker for quantifying tumor burden without invasive biopsies. Therefore, assessment of such tumor-derived DNA in the CSF has the potential to improve the management of patients with primary CNS tumors.

Abstract Background Olfactory neuroblastoma is a rare malignancy of the anterior skull base typically treated with surgery and adjuvant radiation. Although outcomes are fair for low-grade disease, patients with high-grade, recurrent, or metastatic disease oftentimes respond poorly to standard treatment methods. We hypothesized that an in-depth evaluation of the olfactory neuroblastoma tumor immune microenvironment would identify mechanisms of immune evasion in high-grade olfactory neuroblastoma as well as rational targetable mechanisms for future translational immunotherapeutic approaches. Methods Multispectral immunofluorescence and RNAScope evaluation of the tumor immune microenvironment was performed on forty-seven clinically annotated olfactory neuroblastoma samples. A retrospective chart review was performed and clinical correlations assessed. Results A significant T cell infiltration was noted in olfactory neuroblastoma samples with a stromal predilection, presence of myeloid-derived suppressor cells, and sparse natural killer cells. A striking decrease was observed in MHC-I expression in high-grade olfactory neuroblastoma compared to low-grade disease, representing a mechanism of immune evasion in high-grade disease. Mechanistically, the immune effector stromal predilection appears driven by low tumor cell MHC class II (HLA-DR), CXCL9, and CXCL10 expression as those tumors with increased tumor cell expression of each of these mediators correlated with significant increases in T cell infiltration. Conclusion These data suggest that immunotherapeutic strategies that augment tumor cell expression of MHC class II, CXCL9, and CXCL10 may improve parenchymal trafficking of immune effector cells in olfactory neuroblastoma and augment immunotherapeutic responses.

ABSTRACT Mechanisms of tumorigenesis in sinonasal squamous cell carcinoma (SNSCC) remain poorly described due to its rare nature. A subset of SNSCC are associated with the human papillomavirus (HPV); however, it is unknown whether HPV is a driver of HPV-associated SNSCC tumorigenesis or merely a neutral bystander. We hypothesized that performing the first large high-throughput sequencing study of SNSCC would reveal molecular mechanisms of tumorigenesis driving HPV-associated and HPV-independent SNSCC and identify targetable pathways. High-throughput sequencing was performed on 64 patients with HPV-associated and HPV-independent sinonasal carcinomas. Mutation annotation, viral integration, copy number, and pathway-based analyses were performed. Analysis of HPV-associated SNSCC revealed similar mutational patterns observed in HPV-associated cervical and head and neck squamous cell carcinoma, including lack of TP53 mutations and the presence of known hotspot mutations in PI3K and FGFR3. Further similarities included enrichment of APOBEC mutational signature, viral integration at known hotspot locations, and frequent mutations in epigenetic regulators. HPV-associated SNSCC-specific recurrent mutations were also identified including KMT2C , UBXN11 , AP3S1 , MT-ND4 , and MT-ND5 . Mutations in KMT2D and FGFR3 were associated with decreased overall survival. We developed the first known HPV-associated SNSCC cell line and combinatorial small molecule inhibition of YAP/TAZ and PI3K pathways synergistically inhibited tumor cell clonogenicity. In conclusion, HPV-associated SNSCC and HPV-independent SNSCC are driven by molecularly distinct mechanisms of tumorigenesis. Combinatorial blockade of YAP/TAZ and vertical inhibition of the PI3K pathway may be useful in targeting HPV-associated SNSCC whereas targeting MYC and horizontal inhibition of RAS/PI3K pathways for HPV-independent SNSCC. One Sentence Summary This study solidifies HPV as a driver of HPV-associated SNSCC tumorigenesis, identifies molecular mechanisms distinguishing HPV-associated and HPV-independent SNSCC, and elucidates YAP/TAZ and PI3K blockade as key targets for HPV-associated SNSCC.

Glioblastoma (GBM) is the most common primary adult malignant brain tumor. Recurrence is driven invading tumor cells that escape surgical resection and demonstrate resistance to standard-of-care chemotherapy and radiotherapy. A large body of research has been conducted on tumor cell motility. However, typical in vitro models make use of polystyrene culture dishes, which exhibit significantly different physical parameters than brain tissue. Here we report on the use of human organotypic brain slices as an ex vivo approach for the dynamic study of GBM cell motility. Temporal lobectomy tissue from epilepsy patients was obtained and cut into 350μm thick slices. After the tissue slices had a week's incubation for recovery, fluorescently labeled tumor cells were seeded. We then tracked individual tumor cells using time-lapse fluorescent confocal microscopy. Quantification of motility characteristics, including mean squared displacement, total path length, and consistency, allowed for comparison of different conditions, including knockdown of cell surface proteins integrin αv (ITGAV) and CD44. Human organotypics demonstrated minimal variability across specimen in terms of motility parameters, including total path length, averaged instantaneous velocity, and consistency. Knockdown of the traditional motility protein ITGAV showed little effect on overall motility while knockdown of CD44 resulted in a significant reduction in both averaged instantaneous velocity and total path length. When the same parameters were examined using Matrigel, ITGAV and CD44 both showed decreased motility, highlighting the impact of the physical environment on cell behavior. Finally, cell motility in mouse organotypic slices was decreased when compared to human organotypic slices. Here we demonstrate the use of human organotypic brain slices in the study of GBM cell invasion. This model system offers a physiologically-relevant environment in which to examine the dynamic process of cell motility.

Objective: To determine the feasibility of next-generation sequencing (NGS) microbiome approaches in the diagnosis of infectious disorders in brain or spinal cord biopsies in patients with suspected central nervous system (CNS) infections. Methods: In a prospective-pilot study, we applied NGS in combination with a new computational analysis pipeline to detect the presence of pathogenic microbes in brain or spinal cord biopsies from ten patients with neurological problems indicating possible infection but for whom conventional clinical and microbiology studies yielded negative or inconclusive results. Results: Direct DNA and RNA sequencing of brain tissue biopsies generated 8.3 million to 29.1 million sequence reads per sample, which successfully identified with high confidence the infectious agent in three patients, identified possible pathogens in two more, and helped to understand neuropathological processes in three others, demonstrating the power of large-scale unbiased sequencing as a novel diagnostic tool. Validation techniques confirmed the pathogens identified by NGS in each of the three positive cases. Clinical outcomes were consistent with the findings yielded by NGS on the presence or absence of an infectious pathogenic process in eight of ten cases, and were non-contributory in the remaining two. Conclusions: NGS-guided metagenomic studies of brain, spinal cord or meningeal biopsies offer the possibility for dramatic improvements in our ability to detect (or rule out) a wide range of CNS pathogens, with potential benefits in speed, sensitivity, and cost. NGS-based microbiome approaches present a major new opportunity to investigate the potential role of infectious pathogens in the pathogenesis of neuroinflammatory disorders.