RET fusions are oncogenic drivers in 1 to 2% of non–small-cell lung cancers (NSCLCs). In patients with RET fusion–positive NSCLC, the efficacy and safety of selective RET inhibition are unknown.

ABSTRACT The treatment approach to advanced, ALK-positive non-small cell lung cancer (NSCLC) utilizing sequential ALK tyrosine kinase inhibitors (TKIs) represents a paradigm of precision oncology. Lorlatinib is currently the most advanced, potent and selective ALK tyrosine kinase inhibitor (TKI) in the clinic. However, tumors invariably acquire resistance to lorlatinib, and after sequential ALK TKIs culminating with lorlatinib, diverse refractory compound ALK mutations can emerge. Here, we determine the spectrum of lorlatinib-resistant compound ALK mutations identified in patients after treatment with lorlatinib, the majority of which involve ALK G1202R or I1171N/S/T. By assessing a panel of lorlatinib analogs against compound ALK mutant in vitro and in vivo models, we identify structurally diverse lorlatinib analogs that harbor differential selective profiles against G1202R- versus I1171N/S/T-based compound ALK mutations. Structural analysis revealed that increased potency against compound mutations was achieved primarily through two different mechanisms of improved targeting of either G1202R- or I1171N/S/T-mutant kinases. Based on these results, we propose a classification of heterogenous ALK compound mutations designed to focus the development of distinct therapeutic strategies for precision targeting of compound resistance mutations following sequential TKIs.

Summary: Drug-tolerant residual disease (DTRD) after the initial maximal response to a systemic therapy can serve as a tumor reservoir for the development of acquired drug resistance and represents a major clinical challenge across various cancers and types of therapies. To unlock the next frontier in precision oncology, we propose a fundamental paradigm shift in the treatment of metastatic cancers with a sharpened focus towards defining, monitoring, and therapeutically targeting the DTRD state.

SUMMARY Anti-PD-1/PD-L1 agents have transformed the treatment landscape of advanced non-small cell lung cancer (NSCLC). While our understanding of the biology underlying immune checkpoint blockade in NSCLC is still incomplete, studies to date have established predictive roles for PD-L1 tumor expression and tumor mutational burden (TMB). To expand our understanding of the molecular features underlying response to checkpoint inhibitors in NSCLC, we describe here the first joint analysis of the Stand Up 2 Cancer - Mark Foundation (SU2C-MARK) Cohort, a resource of whole exome and/or RNA sequencing from 393 patients with NSCLC treated with anti-PD-(L)1 therapy, along with matched clinical response annotation. We identify a number of associations between molecular features and outcome, including: 1) favorable (e.g., ATM altered), and unfavorable (e.g., TERT amplified) genomic subgroups, 2) distinct immune infiltration signatures associated with wound healing (unfavorable) and immune activation (favorable), and 3) a novel de-differentiated tumor-intrinsic subtype characterized by expression of endodermal lineage genes, immune activation, and enhanced response rate. Taken together, results from this cohort extend our understanding of NSCLC-specific predictors, providing a rich set of molecular and immunologic hypotheses with which to further our understanding of the biology of checkpoint blockade in NSCLC.

Abstract Lung adenocarcinoma is one of the most common cancer types with various treatment modalities. However, better biomarkers to predict therapeutic response are still needed to improve precision medicine. We utilized a consensus hierarchical clustering approach on 509 LUAD cases from TCGA to identify five robust LUAD expression subtypes. We then integrated genomic (patient and cell line) and proteomic data to help define biomarkers of response to targeted therapies and immunotherapies. This approach defined subtypes with unique proteogenomic and dependency profiles. S4-associated cell lines exhibited specific vulnerability to CDK6 and CDK6-cyclin D3 complex gene, CCND3. S3 was characterized by dependency on CDK4, immune-related expression patterns, and altered MET signaling; experimental validation showed that S3-associated cell lines responded to MET inhibitors, leading to increased PD-L1 expression. We further identified genomic features in S3 and S4 as biomarkers for enabling clinical diagnosis of these subtypes. Overall, our consensus hierarchical clustering approach identified robust tumor expression subtypes, and our subsequent integrative analysis of genomics, proteomics, and CRISPR screening data revealed subtype-specific biology and vulnerabilities. Our lung adenocarcinoma expression subtypes and their biomarkers could help identify patients likely to respond to CDK4/6, MET, or PD-L1 inhibitors, potentially improving patient outcome. Significance Through integrative analysis of genomic, proteomic, and drug dependency data, we identified robust lung adenocarcinoma expression subtypes and found subtype-specific biomarkers of response, including CDK4/6, MET, and PD-L1 inhibitors.

Driver mutations alter cells from normal to cancer through several evolutionary epochs: premalignancy, early malignancy, subclonal diversification, metastasis and resistance to therapy. Later stages of disease can be explored through analyzing multiple samples collected longitudinally, on or between successive treatments, and finally at time of autopsy. It is also possible to study earlier stages of cancer development through probabilistic reconstruction of developmental trajectories based on mutational information preserved in the genome. Here we present a suite of tools, called Phylogic N-Dimensional with Timing (PhylogicNDT), that statistically model phylogenetic and evolutionary trajectories based on mutation and copy-number data representing samples taken at single or multiple time points. PhylogicNDT can be used to infer: (i) the order of clonal driver events (including in pre-cancerous stages); (ii) subclonal populations of cells and their phylogenetic relationships; and (iii) cell population dynamics. We demonstrate the use of PhylogicNDT by applying it to whole-exome and whole-genome data of 498 lung adenocarcinoma samples (434 previously available and 64 of newly generated data). We identify significantly different progression trajectories across subtypes of lung adenocarcinoma (EGFR mutant, KRAS mutant, fusion-driven and EGFR/KRAS wild type cancers). In addition, we study the progression of fusion-driven lung cancer in 21 patients by analyzing samples from multiple timepoints during treatment with 1st and next generation tyrosine kinase inhibitors. We characterize their subclonal diversification, dynamics, selection, and changes in mutational signatures and neoantigen load. This methodology will enable a systematic study of tumour initiation, progression and resistance across cancer types and therapies.

Immune checkpoint inhibitors (ICIs) are widely used anti-cancer therapies that can cause morbid and potentially fatal immune-related adverse events (irAEs). ICI-related myocarditis (irMyocarditis) is uncommon but has the highest mortality of any irAE. The pathogenesis of irMyocarditis and its relationship to anti-tumor immunity remain poorly understood. We sought to define immune responses in heart, tumor, and blood during irMyocarditis and identify biomarkers of clinical severity by leveraging single-cell (sc)RNA-seq coupled with T cell receptor (TCR) sequencing, microscopy, and proteomics analysis of 28 irMyocarditis patients and 23 controls. Our analysis of 284,360 cells from heart and blood specimens identified cytotoxic T cells, inflammatory macrophages, conventional dendritic cells (cDCs), and fibroblasts enriched in irMyocarditis heart tissue. Additionally, potentially targetable, pro-inflammatory transcriptional programs were upregulated across multiple cell types. TCR clones enriched in heart and paired tumor tissue were largely non-overlapping, suggesting distinct T cell responses within these tissues. We also identify the presence of cardiac-expanded TCRs in a circulating, cycling CD8 T cell population as a novel peripheral biomarker of fatality. Collectively, these findings highlight critical biology driving irMyocarditis and putative biomarkers for therapeutic intervention.

ABSTRACT The organization of immune cells in human tumors is not well understood. Immunogenic tumors harbor spatially-localized multicellular ‘immunity hubs’ defined by expression of the T cell-attracting chemokines CXCL10/CXCL11 and abundant T cells. Here, we examined immunity hubs in human pre-immunotherapy lung cancer specimens, and found that they were associated with beneficial responses to PD-1-blockade. Immunity hubs were enriched for many interferon-stimulated genes, T cells in multiple differentiation states, and CXCL9/10/11 + macrophages that preferentially interact with CD8 T cells. Critically, we discovered the stem-immunity hub, a subtype of immunity hub strongly associated with favorable PD-1-blockade outcomes, distinct from mature tertiary lymphoid structures, and enriched for stem-like TCF7+PD-1+ CD8 T cells and activated CCR7 + LAMP3 + dendritic cells, as well as chemokines that organize these cells. These results elucidate the spatial organization of the human intratumoral immune response and its relevance to patient immunotherapy outcomes.