Somatic mutations have the potential to encode "non-self" immunogenic antigens. We hypothesized that tumors with a large number of somatic mutations due to mismatch-repair defects may be susceptible to immune checkpoint blockade.We conducted a phase 2 study to evaluate the clinical activity of pembrolizumab, an anti-programmed death 1 immune checkpoint inhibitor, in 41 patients with progressive metastatic carcinoma with or without mismatch-repair deficiency. Pembrolizumab was administered intravenously at a dose of 10 mg per kilogram of body weight every 14 days in patients with mismatch repair-deficient colorectal cancers, patients with mismatch repair-proficient colorectal cancers, and patients with mismatch repair-deficient cancers that were not colorectal. The coprimary end points were the immune-related objective response rate and the 20-week immune-related progression-free survival rate.The immune-related objective response rate and immune-related progression-free survival rate were 40% (4 of 10 patients) and 78% (7 of 9 patients), respectively, for mismatch repair-deficient colorectal cancers and 0% (0 of 18 patients) and 11% (2 of 18 patients) for mismatch repair-proficient colorectal cancers. The median progression-free survival and overall survival were not reached in the cohort with mismatch repair-deficient colorectal cancer but were 2.2 and 5.0 months, respectively, in the cohort with mismatch repair-proficient colorectal cancer (hazard ratio for disease progression or death, 0.10 [P<0.001], and hazard ratio for death, 0.22 [P=0.05]). Patients with mismatch repair-deficient noncolorectal cancer had responses similar to those of patients with mismatch repair-deficient colorectal cancer (immune-related objective response rate, 71% [5 of 7 patients]; immune-related progression-free survival rate, 67% [4 of 6 patients]). Whole-exome sequencing revealed a mean of 1782 somatic mutations per tumor in mismatch repair-deficient tumors, as compared with 73 in mismatch repair-proficient tumors (P=0.007), and high somatic mutation loads were associated with prolonged progression-free survival (P=0.02).This study showed that mismatch-repair status predicted clinical benefit of immune checkpoint blockade with pembrolizumab. (Funded by Johns Hopkins University and others; ClinicalTrials.gov number, NCT01876511.).

The development of noninvasive methods to detect and monitor tumors continues to be a major challenge in oncology. We used digital polymerase chain reaction-based technologies to evaluate the ability of circulating tumor DNA (ctDNA) to detect tumors in 640 patients with various cancer types. We found that ctDNA was detectable in >75% of patients with advanced pancreatic, ovarian, colorectal, bladder, gastroesophageal, breast, melanoma, hepatocellular, and head and neck cancers, but in less than 50% of primary brain, renal, prostate, or thyroid cancers. In patients with localized tumors, ctDNA was detected in 73, 57, 48, and 50% of patients with colorectal cancer, gastroesophageal cancer, pancreatic cancer, and breast adenocarcinoma, respectively. ctDNA was often present in patients without detectable circulating tumor cells, suggesting that these two biomarkers are distinct entities. In a separate panel of 206 patients with metastatic colorectal cancers, we showed that the sensitivity of ctDNA for detection of clinically relevant KRAS gene mutations was 87.2% and its specificity was 99.2%. Finally, we assessed whether ctDNA could provide clues into the mechanisms underlying resistance to epidermal growth factor receptor blockade in 24 patients who objectively responded to therapy but subsequently relapsed. Twenty-three (96%) of these patients developed one or more mutations in genes involved in the mitogen-activated protein kinase pathway. Together, these data suggest that ctDNA is a broadly applicable, sensitive, and specific biomarker that can be used for a variety of clinical and research purposes in patients with multiple different types of cancer.

The elucidation of the human genome sequence has made it possible to identify genetic alterations in cancers in unprecedented detail. To begin a systematic analysis of such alterations, we determined the sequence of well-annotated human protein-coding genes in two common tumor types. Analysis of 13,023 genes in 11 breast and 11 colorectal cancers revealed that individual tumors accumulate an average of ∼90 mutant genes but that only a subset of these contribute to the neoplastic process. Using stringent criteria to delineate this subset, we identified 189 genes (average of 11 per tumor) that were mutated at significant frequency. The vast majority of these genes were not known to be genetically altered in tumors and are predicted to affect a wide range of cellular functions, including transcription, adhesion, and invasion. These data define the genetic landscape of two human cancer types, provide new targets for diagnostic and therapeutic intervention, and open fertile avenues for basic research in tumor biology.

Human cancer is caused by the accumulation of mutations in oncogenes and tumor suppressor genes. To catalog the genetic changes that occur during tumorigenesis, we isolated DNA from 11 breast and 11 colorectal tumors and determined the sequences of the genes in the Reference Sequence database in these samples. Based on analysis of exons representing 20,857 transcripts from 18,191 genes, we conclude that the genomic landscapes of breast and colorectal cancers are composed of a handful of commonly mutated gene "mountains" and a much larger number of gene "hills" that are mutated at low frequency. We describe statistical and bioinformatic tools that may help identify mutations with a role in tumorigenesis. These results have implications for understanding the nature and heterogeneity of human cancers and for using personal genomics for tumor diagnosis and therapy.

During early human pregnancy the uterine mucosa transforms into the decidua, into which the fetal placenta implants and where placental trophoblast cells intermingle and communicate with maternal cells. Trophoblast–decidual interactions underlie common diseases of pregnancy, including pre-eclampsia and stillbirth. Here we profile the transcriptomes of about 70,000 single cells from first-trimester placentas with matched maternal blood and decidual cells. The cellular composition of human decidua reveals subsets of perivascular and stromal cells that are located in distinct decidual layers. There are three major subsets of decidual natural killer cells that have distinctive immunomodulatory and chemokine profiles. We develop a repository of ligand–receptor complexes and a statistical tool to predict the cell-type specificity of cell–cell communication via these molecular interactions. Our data identify many regulatory interactions that prevent harmful innate or adaptive immune responses in this environment. Our single-cell atlas of the maternal–fetal interface reveals the cellular organization of the decidua and placenta, and the interactions that are critical for placentation and reproductive success. Transcriptomes of about 70,000 single cells from first-trimester deciduas and placentas reveal subsets of perivascular, stromal and natural killer cells in the decidua, with distinct immunomodulatory profiles that regulate the environment necessary for successful placentation.

Most patients diagnosed with resected pancreatic adenocarcinoma (PDAC) survive less than 5 years, but a minor subset survives longer. Here, we dissect the role of the tumor microbiota and the immune system in influencing long-term survival. Using 16S rRNA gene sequencing, we analyzed the tumor microbiome composition in PDAC patients with short-term survival (STS) and long-term survival (LTS). We found higher alpha-diversity in the tumor microbiome of LTS patients and identified an intra-tumoral microbiome signature (Pseudoxanthomonas-Streptomyces-Saccharopolyspora-Bacillus clausii) highly predictive of long-term survivorship in both discovery and validation cohorts. Through human-into-mice fecal microbiota transplantation (FMT) experiments from STS, LTS, or control donors, we were able to differentially modulate the tumor microbiome and affect tumor growth as well as tumor immune infiltration. Our study demonstrates that PDAC microbiome composition, which cross-talks to the gut microbiome, influences the host immune response and natural history of the disease.Video AbstracteyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiJhYzRhNmZkNTc5YmU2ZjRkODc4YTZkNDEyZDQzOTU5ZCIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc5NTg1NzU4fQ.HAmtQFkvbA4In1T3Mp1Q5_-k0F8j95nVpB_i9ZK4a8YQTXXbQpR7OanIP61d5m4RfsTLl271pkjI9aGDjkqCtUvvXhtdiJWuotRTChwFgnIzkLU0GtwEKWTCb3mw611lUXcdOSdZOomD4sd4wh61HLaAt45oETSIQhaXarpvELzn8abxZh8odm4CeK5E7nP4NLlWIVD3pAMgHt4GQNX_2OL1kIvpS3GzzCN_Tn_Szhu83tAhumyVkYtf2Zr2OnMysRmWfLkE6e_YmW4MVHDpFp-Klq7UETATmhFBDOFZT98N36qhmdwQnRf7OwXPAh_KE2i1Xi6ORmFzKprAh8DWoA(mp4, (20.04 MB) Download video

Abstract Pancreatic cancer is the most lethal common solid malignancy. Systemic therapies are often ineffective, and predictive biomarkers to guide treatment are urgently needed. We generated a pancreatic cancer patient–derived organoid (PDO) library that recapitulates the mutational spectrum and transcriptional subtypes of primary pancreatic cancer. New driver oncogenes were nominated and transcriptomic analyses revealed unique clusters. PDOs exhibited heterogeneous responses to standard-of-care chemotherapeutics and investigational agents. In a case study manner, we found that PDO therapeutic profiles paralleled patient outcomes and that PDOs enabled longitudinal assessment of chemosensitivity and evaluation of synchronous metastases. We derived organoid-based gene expression signatures of chemosensitivity that predicted improved responses for many patients to chemotherapy in both the adjuvant and advanced disease settings. Finally, we nominated alternative treatment strategies for chemorefractory PDOs using targeted agent therapeutic profiling. We propose that combined molecular and therapeutic profiling of PDOs may predict clinical response and enable prospective therapeutic selection. Significance: New approaches to prioritize treatment strategies are urgently needed to improve survival and quality of life for patients with pancreatic cancer. Combined genomic, transcriptomic, and therapeutic profiling of PDOs can identify molecular and functional subtypes of pancreatic cancer, predict therapeutic responses, and facilitate precision medicine for patients with pancreatic cancer. Cancer Discov; 8(9); 1112–29. ©2018 AACR. See related commentary by Collisson, p. 1062. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1047

A mutation in the gene GNAS serves as a marker for pancreatic cysts that can progress to become invasive adenocarcinomas, guiding therapy.

International experts met to discuss recent advances and to revise the 2004 recommendations for assessing and reporting precursor lesions to invasive carcinomas of the pancreas, including pancreatic intraepithelial neoplasia (PanIN), intraductal papillary mucinous neoplasm (IPMN), mucinous cystic neoplasm, and other lesions. Consensus recommendations include the following: (1) To improve concordance and to align with practical consequences, a 2-tiered system (low vs. high grade) is proposed for all precursor lesions, with the provision that the current PanIN-2 and neoplasms with intermediate-grade dysplasia now be categorized as low grade. Thus, “high-grade dysplasia” is to be reserved for only the uppermost end of the spectrum (“carcinoma in situ”–type lesions). (2) Current data indicate that PanIN of any grade at a margin of a resected pancreas with invasive carcinoma does not have prognostic implications; the clinical significance of dysplasia at a margin in a resected pancreas with IPMN lacking invasive carcinoma remains to be determined. (3) Intraductal lesions 0.5 to 1 cm can be either large PanINs or small IPMNs. The term “incipient IPMN” should be reserved for lesions in this size with intestinal or oncocytic papillae or GNAS mutations. (4) Measurement of the distance between an IPMN and invasive carcinoma and sampling of intervening tissue are recommended to assess concomitant versus associated status. Conceptually, concomitant invasive carcinoma (in contrast with the “associated” group) ought to be genetically distinct from an IPMN elsewhere in the gland. (5) “Intraductal spread of invasive carcinoma” (aka, “colonization”) is recommended to describe lesions of invasive carcinoma invading back into and extending along the ductal system, which may morphologically mimic high-grade PanIN or even IPMN. (6) “Simple mucinous cyst” is recommended to describe cysts >1 cm having gastric-type flat mucinous lining at most minimal atypia without ovarian-type stroma to distinguish them from IPMN. (7) Human lesions resembling the acinar to ductal metaplasia and atypical flat lesions of genetically engineered mouse models exist and may reflect an alternate pathway of carcinogenesis; however, their biological significance requires further study. These revised recommendations are expected to improve our management and understanding of precursor lesions in the pancreas.

More than 2% of adults harbor a pancreatic cyst, a subset of which progresses to invasive lesions with lethal consequences. To assess the genomic landscapes of neoplastic cysts of the pancreas, we determined the exomic sequences of DNA from the neoplastic epithelium of eight surgically resected cysts of each of the major neoplastic cyst types: serous cystadenomas (SCAs), intraductal papillary mucinous neoplasms (IPMNs), mucinous cystic neoplasms (MCNs), and solid pseudopapillary neoplasms (SPNs). SPNs are low-grade malignancies, and IPMNs and MCNs, but not SCAs, have the capacity to progress to cancer. We found that SCAs, IPMNs, MCNs, and SPNs contained 10 ± 4.6, 27 ± 12, 16 ± 7.6, and 2.9 ± 2.1 somatic mutations per tumor, respectively. Among the mutations identified, E3 ubiquitin ligase components were of particular note. Four of the eight SCAs contained mutations of the von Hippel–Lindau gene ( VHL ), a key component of the VHL ubiquitin ligase complex that has previously been associated with renal cell carcinomas, SCAs, and other neoplasms. Six of the eight IPMNs and three of the eight MCNs harbored mutations of RNF43 , a gene coding for a protein with intrinsic E3 ubiquitin ligase activity that has not previously been found to be genetically altered in any human cancer. The preponderance of inactivating mutations in RNF43 unequivocally establish it as a suppressor of both IPMNs and MCNs. SPNs contained remarkably few genetic alterations but always contained mutations of CTNNB1 , previously demonstrated to inhibit degradation of the encoded protein (β-catenin) by E3 ubiquitin ligases. These results highlight the essential role of ubiquitin ligases in these neoplasms and have important implications for the diagnosis and treatment of patients with cystic tumors.