Abstract Brain metastases are associated with a dismal prognosis. Whether brain metastases harbor distinct genetic alterations beyond those observed in primary tumors is unknown. We performed whole-exome sequencing of 86 matched brain metastases, primary tumors, and normal tissue. In all clonally related cancer samples, we observed branched evolution, where all metastatic and primary sites shared a common ancestor yet continued to evolve independently. In 53% of cases, we found potentially clinically informative alterations in the brain metastases not detected in the matched primary-tumor sample. In contrast, spatially and temporally separated brain metastasis sites were genetically homogenous. Distal extracranial and regional lymph node metastases were highly divergent from brain metastases. We detected alterations associated with sensitivity to PI3K/AKT/mTOR, CDK, and HER2/EGFR inhibitors in the brain metastases. Genomic analysis of brain metastases provides an opportunity to identify potentially clinically informative alterations not detected in clinically sampled primary tumors, regional lymph nodes, or extracranial metastases. Significance: Decisions for individualized therapies in patients with brain metastasis are often made from primary-tumor biopsies. We demonstrate that clinically actionable alterations present in brain metastases are frequently not detected in primary biopsies, suggesting that sequencing of primary biopsies alone may miss a substantial number of opportunities for targeted therapy. Cancer Discov; 5(11); 1164–77. ©2015 AACR. See related commentary by Stricker and Arteaga, p. 1124. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1111

We recently reported that BRAF V600E is the principal oncogenic driver of papillary craniopharyngioma, a highly morbid intracranial tumor commonly refractory to treatment. Here, we describe our treatment of a man age 39 years with multiply recurrent BRAF V600E craniopharyngioma using dabrafenib (150mg, orally twice daily) and trametinib (2mg, orally twice daily). After 35 days of treatment, tumor volume was reduced by 85%. Mutations that commonly mediate resistance to MAPK pathway inhibition were not detected in a post-treatment sample by whole exome sequencing. A blood-based BRAF V600E assay detected circulating BRAF V600E in the patient’s blood. Re-evaluation of the existing management paradigms for craniopharyngioma is warranted, as patient morbidity might be reduced by noninvasive mutation testing and neoadjuvant-targeted treatment.

Abstract Melanoma-derived brain metastases (MBM) represent an unmet clinical need due to central nervous system (CNS) progression as a frequent, end-stage site of disease. Immune checkpoint inhibition (ICI) represents a clinical opportunity against MBM; however, the MBM tumor microenvironment (TME) has not been fully elucidated in the context of ICI. To dissect unique MBM-TME elements and correlates of MBM-ICI response, we collected 32 fresh MBM and performed single cell RNA sequencing of the MBM-TME and T cell receptor clonotyping on T cells from MBM and matched blood and extracranial lesions. We observed myeloid phenotypic heterogeneity, most notably multiple distinct neutrophil states including an IL-8 expressing population that correlated with malignant cell epithelial-to-mesenchymal transition. Additionally, we observe significant relationships between intracranial T cell phenotypes and the distribution of T cell clonotypes intracranially and peripherally. We found that the phenotype, clonotype, and overall number of MBM-infiltrating T cells were associated with response to ICI, suggesting that ICI-responsive MBMs interact with peripheral blood in a manner similar to extracranial lesions. These data demonstrate unique features of the MBM-TME, which may represent potential targets to improve clinical outcomes for patients with MBM.