Significance Microglia are the tissue resident macrophages of the brain and spinal cord, implicated in important developmental, homeostatic, and disease processes, although our understanding of their roles is complicated by an inability to distinguish microglia from related cell types. Although they share many features with other macrophages, microglia have distinct developmental origins and functions. Here we validate a stable and robustly expressed microglial marker for both mouse and human, transmembrane protein 119 (Tmem119). We use custom-made antibodies against Tmem119 to perform deep RNA sequencing of developing microglia, and demonstrate that microglia mature by the second postnatal week in mice. The antibodies, cell isolation methods, and RNAseq profiles presented here will greatly facilitate our understanding of microglial function in health and disease.

Significance The brain comprises an immense number of cells and cellular connections. We describe the first, to our knowledge, single cell whole transcriptome analysis of human adult cortical samples. We have established an experimental and analytical framework with which the complexity of the human brain can be dissected on the single cell level. Using this approach, we were able to identify all major cell types of the brain and characterize subtypes of neuronal cells. We observed changes in neurons from early developmental to late differentiated stages in the adult. We found a subset of adult neurons which express major histocompatibility complex class I genes and thus are not immune privileged.

Glioblastoma (GBM) is the most common primary brain cancer in adults and is notoriously difficult to treat because of its diffuse nature. We performed single-cell RNA sequencing (RNA-seq) on 3,589 cells in a cohort of four patients. We obtained cells from the tumor core as well as surrounding peripheral tissue. Our analysis revealed cellular variation in the tumor’s genome and transcriptome. We were also able to identify infiltrating neoplastic cells in regions peripheral to the core lesions. Despite the existence of significant heterogeneity among neoplastic cells, we found that infiltrating GBM cells share a consistent gene signature between patients, suggesting a common mechanism of infiltration. Additionally, in investigating the immunological response to the tumors, we found transcriptionally distinct myeloid cell populations residing in the tumor core and the surrounding peritumoral space. Our data provide a detailed dissection of GBM cell types, revealing an abundance of information about tumor formation and migration.

Microglia, the brain's resident macrophages, are dynamic CNS custodians with surprising origins in the extra-embryonic yolk sac. The consequences of their distinct ontogeny are unknown but critical to understanding and treating brain diseases. We created a brain macrophage transplantation system to disentangle how environment and ontogeny specify microglial identity. We find that donor cells extensively engraft in the CNS of microglia-deficient mice, and even after exposure to a cell culture environment, microglia fully regain their identity when returned to the CNS. Though transplanted macrophages from multiple tissues can express microglial genes in the brain, only those of yolk-sac origin fully attain microglial identity. Transplanted macrophages of inappropriate origin, including primary human cells in a humanized host, express disease-associated genes and specific ontogeny markers. Through brain macrophage transplantation, we discover new principles of microglial identity that have broad applications to the study of disease and development of myeloid cell therapies.

Detecting tumor-derived cell-free DNA (cfDNA) in the blood of brain tumor patients is challenging, presumably owing to the blood-brain barrier. Cerebral spinal fluid (CSF) may serve as an alternative "liquid biopsy" of brain tumors by enabling measurement of circulating DNA within CSF to characterize tumor-specific mutations. Many aspects about the characteristics and detectability of tumor mutations in CSF remain undetermined.We used digital PCR and targeted amplicon sequencing to quantify tumor mutations in the cfDNA of CSF and plasma collected from 7 patients with solid brain tumors. Also, we applied cancer panel sequencing to globally characterize the somatic mutation profile from the CSF of 1 patient with suspected leptomeningeal disease.We detected tumor mutations in CSF samples from 6 of 7 patients with solid brain tumors. The concentration of the tumor mutant alleles varied widely between patients, from <5 to nearly 3000 copies/mL CSF. We identified 7 somatic mutations from the CSF of a patient with leptomeningeal disease by use of cancer panel sequencing, and the result was concordant with genetic testing on the primary tumor biopsy.Tumor mutations were detectable in cfDNA from the CSF of patients with different primary and metastatic brain tumors. We designed 2 strategies to characterize tumor mutations in CSF for potential clinical diagnosis: the targeted detection of known driver mutations to monitor brain metastasis and the global characterization of genomic aberrations to direct personalized cancer care.

Summary Glioblastoma is the most common primary brain cancer in adults and is notoriously difficult to treat due to its diffuse nature. We performed single-cell RNAseq on 3589 cells in a cohort of four patients. We obtained cells from the tumor core as well as surrounding peripheral tissue. Our analysis revealed cellular variation in the tumor’s genome and transcriptome, We were able to identify infiltrating neoplastic cells in regions peripheral to the core lesions. Despite the existence of significant heterogeneity among neoplastic cells, we found that infiltrating GBM cells share a consistent gene signature between patients, suggesting a common mechanism of infiltration. Additionally, in investigating the immunological response to the tumors, we found transcriptionally distinct myeloid cell populations residing in the tumor core and the surrounding peritumoral space. Our data provide a detailed dissection of GBM cell types, revealing an abundance of novel information about tumor formation and migration.

Abstract Cerebrospinal fluid tumor-derived DNA (CSF-tDNA) analysis is a promising approach for monitoring the neoplastic processes of the central nervous system. We applied a lung cancer-specific sequencing panel (CAPP-Seq) to 81 CSF, blood, and tissue samples from 24 lung cancer patients who underwent lumbar puncture (LP) for suspected leptomeningeal disease (LMD). A subset of the cohort ( N = 12) participated in a prospective trial of osimertinib for refractory LMD in which serial LPs were performed before and during treatment. CSF-tDNA variant allele fractions (VAFs) were significantly higher than plasma circulating tumor DNA (ctDNA) VAFs (median CSF-tDNA, 32.7%; median plasma ctDNA, 1.8%; P < 0.0001). Concentrations of tumor DNA in CSF and plasma were positively correlated (Spearman’s ρ, 0.45; P = 0.03). For LMD diagnosis, cytology was 81.8% sensitive and CSF-tDNA was 91.7% sensitive. CSF-tDNA was also strongly prognostic for overall survival (HR = 7.1; P = 0.02). Among patients with progression on targeted therapy, resistance mutations, such as EGFR T790M and MET amplification, were common in peripheral blood but were rare in time-matched CSF, indicating differences in resistance mechanisms based on the anatomic compartment. In the osimertinib cohort, patients with CNS progression had increased CSF-tDNA VAFs at follow-up LP. Post-osimertinib CSF-tDNA VAF was strongly prognostic for CNS progression (HR = 6.2, P = 0.009). Detection of CSF-tDNA in lung cancer patients with suspected LMD is feasible and may have clinical utility. CSF-tDNA improves the sensitivity of LMD diagnosis, enables improved prognostication, and drives therapeutic strategies that account for spatial heterogeneity in resistance mechanisms.

Purpose: Brain metastases from non-small cell lung cancer (NSCLC) engraft and grow either within the brain (solid) or diffusely on its surface (leptomeningeal disease; LMD). Routine clinical diagnostics have low sensitivity and provide no information about the underlying mutations. A recurrent mutation analysis of LMD and a comparison between solid and LMD NSCLC brain metastases have yet to be explored. Experimental Design: We performed whole-exome sequencing (WES) on eight cerebrospinal fluid (CSF) specimens from NSCLC LMD patients. We compared our LMD sequencing data with a published dataset of 26 NSCLC solid brain metastases to determine the relative mutation frequency. We then performed a retrospective chart review of an additional set of 44 NSCLC LMD patients to further evaluate LMD mutations and clinical prognosis. Results: Six (75%) LMD cases had mutations in EGFR, while none had KRAS mutations. Retrospective chart review revealed only 4 LMD cases (7.7%) with KRAS mutations, but 33 cases (63.5%) with EGFR mutations. TP53 was mutated in 4/8 LMD (50%) cases and 13/26 of solid metastasis (50%). The median interval for developing LMD from NSCLC was shorter in EGFR-mutant (16.3 mo) than wild-type (23.9 mo) patients (p = 0.017). Conclusions: EGFR and TP53 mutations were frequent in LMD exomes (combined frequency 87.5%), suggesting that PCR-based mutation detection assays towards these two genes could be a useful complement to current diagnostics. Correlations of EGFR in LMD and KRAS in solid metastases suggest molecular distinctions or systemic treatment pressure underpinning differences in growth patterns within the brain.