With the success of immunotherapy in cancer, understanding the tumor immune microenvironment (TIME) has become increasingly important; however in pediatric brain tumors this remains poorly characterized. Accordingly, we developed a clinical immune-oncology gene expression assay and used it to profile a diverse range of 1382 samples with detailed clinical and molecular annotation. In low-grade gliomas we identify distinct patterns of immune activation with prognostic significance in BRAF V600E-mutant tumors. In high-grade gliomas, we observe immune activation and T-cell infiltrates in tumors that have historically been considered immune cold, as well as genomic correlates of inflammation levels. In mismatch repair deficient high-grade gliomas, we find that high tumor inflammation signature is a significant predictor of response to immune checkpoint inhibition, and demonstrate the potential for multimodal biomarkers to improve treatment stratification. Importantly, while overall patterns of immune activation are observed for histologically and genetically defined tumor types, there is significant variability within each entity, indicating that the TIME must be evaluated as an independent feature from diagnosis. In sum, in addition to the histology and molecular profile, this work underscores the importance of reporting on the TIME as an essential axis of cancer diagnosis in the era of personalized medicine.

Abstract Central nervous system germ cell tumors (CNS-GCT) are malignant neoplasms that arise predominantly during adolescence and young adulthood. These tumors are typically sensitive to treatment, but resulting long-term health deficits are common. Additional clinical challenges include surgical risks associated with tumor biopsy, and need to determine treatment response for adapting radiotherapy protocols. The aim of this study was to establish the detectability of circulating-tumor DNA (ctDNA) from cerebrospinal fluid (CSF) of children with CNS-GCT as a potential biomarker. We obtained CSF from patients with CNS-GCT by lumbar puncture or intra-operatively. Cell-free DNA (cfDNA) was extracted and subjected to low-pass whole genome sequencing (LP-WGS). Copy-number alterations (CNAs) were inferred and served as a marker of measurable residual disease (MRD). Comparisons with imaging findings and tumor marker levels were made. A total of 29 CSF samples from 21 patients (16 with germinoma, 5 with non-germinomatous GCT) were sequenced. Twenty samples from 19 patients were collected at diagnosis, and 9 samples from 7 patients were collected during or after therapy. Among the diagnostic samples, CNAs were detected in samples from 17/19 patients (89%), which included 8 with marker-negative tumors. Specific clinical scenarios suggested that serial cfDNA analysis may carry utility in tracking treatment responses as well as clarifying indeterminate imaging findings. Our results provide evidence for the high-sensitivity in detecting ctDNA from CSF of CNS-GCT patients using LP-WGS, with potential utility for non-invasive diagnosis and disease monitoring in upcoming CNS-GCT studies.