Brein-Karlsen var byrådssekretær for finansbyråd Stian Berger Røsland i Oslo kommune i 2009, deretter byrådssekretær for Stian Berger Røsland mens han var Oslos byrådsleder 2009–2011. Brein-Karlsen var konstituert som byråd for helse og eldreomsorg under Sylvi Listhaugs fødselspermisjon i 2011.