Background & AimsWe aimed to investigate the clinical utility of circulating tumor cell DNA (ctDNA) and exosome DNA (exoDNA) in pancreatic cancer.MethodsWe collected liquid biopsy samples from 194 patients undergoing treatment for localized or metastatic pancreatic adenocarcinoma from April 7, 2015, through October 13, 2017 (425 blood samples collected before [baseline] and during therapy). Additional liquid biopsy samples were collected from 37 disease control individuals. Droplet digital polymerase chain reaction was used to determine KRAS mutant allele fraction (MAF) from ctDNA and exoDNA purified from plasma. For the longitudinal analysis, we analyzed exoDNA and ctDNA in 123 serial blood samples from 34 patients. We performed analysis including Cox regression, Fisher exact test, and Bayesian inference to associate KRAS MAFs in exoDNA and ctDNA with prognostic and predictive outcomes.ResultsIn the 34 patients with potentially resectable tumors, an increase in exoDNA level after neoadjuvant therapy was significantly associated with disease progression (P = .003), whereas ctDNA did not show correlations with outcomes. Concordance rates of KRAS mutations present in surgically resected tissue and detected in liquid biopsy samples were greater than 95%. On univariate analysis, patients with metastases and detectable ctDNA at baseline status had significantly shorter times of progression-free survival (PFS) (hazard ratio [HR] for death, 1.8; 95% CI, 1.1–3.0; P = .019), and overall survival (OS) (HR, 2.8; 95% CI, 1.4–5.7; P = .0045) compared with patients without detectable ctDNA. On multivariate analysis, MAFs ≥5% in exoDNA were a significant predictor of PFS (HR, 2.28; 95% CI, 1.18–4.40; P = .014) and OS (HR, 3.46; 95% CI, 1.40–8.50; P = .007). A multianalyte approach showed detection of both ctDNA and exoDNA MAFs ≥5% at baseline status to be a significant predictor of OS (HR, 7.73, 95% CI, 2.61–22.91, P = .00002) on multivariate analysis. In the longitudinal analysis, an MAF peak above 1% in exoDNA was significantly associated with radiologic progression (P = .0003).ConclusionsIn a prospective cohort of pancreatic cancer patients, we show how longitudinal monitoring using liquid biopsy samples through exoDNA and ctDNA provides both predictive and prognostic information relevant to therapeutic stratification. We aimed to investigate the clinical utility of circulating tumor cell DNA (ctDNA) and exosome DNA (exoDNA) in pancreatic cancer. We collected liquid biopsy samples from 194 patients undergoing treatment for localized or metastatic pancreatic adenocarcinoma from April 7, 2015, through October 13, 2017 (425 blood samples collected before [baseline] and during therapy). Additional liquid biopsy samples were collected from 37 disease control individuals. Droplet digital polymerase chain reaction was used to determine KRAS mutant allele fraction (MAF) from ctDNA and exoDNA purified from plasma. For the longitudinal analysis, we analyzed exoDNA and ctDNA in 123 serial blood samples from 34 patients. We performed analysis including Cox regression, Fisher exact test, and Bayesian inference to associate KRAS MAFs in exoDNA and ctDNA with prognostic and predictive outcomes. In the 34 patients with potentially resectable tumors, an increase in exoDNA level after neoadjuvant therapy was significantly associated with disease progression (P = .003), whereas ctDNA did not show correlations with outcomes. Concordance rates of KRAS mutations present in surgically resected tissue and detected in liquid biopsy samples were greater than 95%. On univariate analysis, patients with metastases and detectable ctDNA at baseline status had significantly shorter times of progression-free survival (PFS) (hazard ratio [HR] for death, 1.8; 95% CI, 1.1–3.0; P = .019), and overall survival (OS) (HR, 2.8; 95% CI, 1.4–5.7; P = .0045) compared with patients without detectable ctDNA. On multivariate analysis, MAFs ≥5% in exoDNA were a significant predictor of PFS (HR, 2.28; 95% CI, 1.18–4.40; P = .014) and OS (HR, 3.46; 95% CI, 1.40–8.50; P = .007). A multianalyte approach showed detection of both ctDNA and exoDNA MAFs ≥5% at baseline status to be a significant predictor of OS (HR, 7.73, 95% CI, 2.61–22.91, P = .00002) on multivariate analysis. In the longitudinal analysis, an MAF peak above 1% in exoDNA was significantly associated with radiologic progression (P = .0003). In a prospective cohort of pancreatic cancer patients, we show how longitudinal monitoring using liquid biopsy samples through exoDNA and ctDNA provides both predictive and prognostic information relevant to therapeutic stratification.

Early detection of pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) remains elusive. Precursor lesions of PDAC, specifically intraductal papillary mucinous neoplasms (IPMNs), represent a bona fide pathway to invasive neoplasia, although the molecular correlates of progression remain to be fully elucidated. Single-cell transcriptomics provides a unique avenue for dissecting both the epithelial and microenvironmental heterogeneities that accompany multistep progression from noninvasive IPMNs to PDAC.Single-cell RNA sequencing was performed through droplet-based sequencing on 5,403 cells from 2 low-grade IPMNs (LGD-IPMNs), 2 high-grade IPMNs (HGD-IPMN), and 2 PDACs (all surgically resected).Analysis of single-cell transcriptomes revealed heterogeneous alterations within the epithelium and the tumor microenvironment during the progression of noninvasive dysplasia to invasive cancer. Although HGD-IPMNs expressed many core signaling pathways described in PDAC, LGD-IPMNs harbored subsets of single cells with a transcriptomic profile that overlapped with invasive cancer. Notably, a proinflammatory immune component was readily seen in low-grade IPMNs, composed of cytotoxic T cells, activated T-helper cells, and dendritic cells, which was progressively depleted during neoplastic progression, accompanied by infiltration of myeloid-derived suppressor cells. Finally, stromal myofibroblast populations were heterogeneous and acquired a previously described tumor-promoting and immune-evading phenotype during invasive carcinogenesis.This study demonstrates the ability to perform high-resolution profiling of the transcriptomic changes that occur during multistep progression of cystic PDAC precursors to cancer. Notably, single-cell analysis provides an unparalleled insight into both the epithelial and microenvironmental heterogeneities that accompany early cancer pathogenesis and might be a useful substrate to identify targets for cancer interception.See related commentary by Hernandez-Barco et al., p. 2027.

Abstract Precision medicine approaches in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) are imperative for improving disease outcomes. However, the long-term fidelity of recently deployed ex vivo preclinical platforms, such as patient-derived organoids (PDOs) remains unknown. Through single-cell RNA sequencing (scRNA-seq), we identify substantial transcriptomic evolution of PDOs propagated from the parental tumor, which may alter predicted drug sensitivity. In contrast, scRNA-seq is readily applicable to limited biopsies from human primary and metastatic PDAC and identifies most cancers as being an admixture of previously described epithelial transcriptomic subtypes. Integrative analyses of our data provide an in-depth characterization of the heterogeneity within the tumor microenvironment, including cancer-associated fibroblast (CAF) subclasses, and predicts for a multitude of ligand-receptor interactions, revealing potential targets for immunotherapy approaches. While PDOs continue to enable prospective therapeutic prediction, our analysis also demonstrates the complementarity of using orthogonal de novo biopsies from PDAC patients paired with scRNA-seq to inform clinical decision-making. Statement of Significance The application of single-cell RNA sequencing to diagnostic pancreatic cancer biopsies provides in-depth transcriptomic characterization of the tumor epithelium and microenvironment, while minimizing potential artifacts introduced by an intervening ex vivo passaging step. Thus, this approach can complement the use of patient-derived organoids in implementing precision oncology.

Abstract Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is associated with mutations in Kras, a known oncogenic driver of PDAC; and the KRAS G12D mutation is present in nearly half of PDAC patients. Recently, a non-covalent small molecule inhibitor (MRTX1133) was identified with specificity to the Kras G12D mutant protein. Here we explore the impact of Kras G12D inhibition by MRTX1133 on advanced PDAC and its influence on the tumor microenvironment. Employing different orthotopic xenograft and syngeneic tumor models, eight different PDXs, and two different autochthonous genetic models, we demonstrate that MRTX1133 reverses early PDAC growth, increases intratumoral CD8 + effector T cells, decreases myeloid infiltration, and reprograms cancer associated fibroblasts. Autochthonous genetic mouse models treated with MRTX1133 leads to regression of both established PanINs and advanced PDAC. Regression of advanced PDAC requires CD8 + T cells and immune checkpoint blockade therapy (iCBT) synergizes with MRTX1133 to eradicate PDAC and prolong overall survival. Mechanistically, inhibition of mutant Kras in advanced PDAC and human patient derived organoids (PDOs) induces Fas expression in cancer cells and facilitates CD8 + T cell mediated death. These results demonstrate the efficacy of MRTX1133 in different mouse models of PDAC associated with reprogramming of stromal fibroblasts and a dependency on CD8 + T cell mediated tumor clearance. Collectively, this study provides a rationale for a synergistic combination of MRTX1133 with iCBT in clinical trials.

Abstract Cancers can vary greatly in their transcriptomes. In contrast to alterations in specific genes or pathways, differences in tumor cell total mRNA content have not been comprehensively assessed. Technical and analytical challenges have impeded examination of total mRNA expression at scale across cancers. To address this, we developed a model for quantifying tumor-specific total mRNA expression (TmS) from bulk sequencing data, which performs transcriptomic deconvolution while adjusting for mixed genomes. We used single-cell RNA sequencing data to demonstrate total mRNA expression as a feature of tumor phenotype. We estimated and validated TmS in 5,015 patients across 15 cancer types identifying significant inter-individual variability. At a pan-cancer level, high TmS is associated with increased risk of disease progression and death. Cancer type-specific patterns of genetic alterations, intra-tumor genetic heterogeneity, as well as pan-cancer trends in metabolic dysregulation and hypoxia contribute to TmS. Taken together, our results suggest that measuring cell-type specific total mRNA expression offers a broader perspective of tracking cancer transcriptomes, which has important biological and clinical implications.

Abstract Intratumoral heterogeneity (ITH) is a hallmark of cancer. The advent of single-cell technologies has helped uncover ITH in a high-throughput manner in different cancers across varied contexts. Here we apply single-cell sequencing technologies to reveal striking ITH in assumptively oligoclonal pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) cell lines. Our findings reveal a high degree of both genomic and transcriptomic heterogeneity in established and globally utilized PDAC cell lines, custodial variation induced by growing apparently identical PDAC cell lines in different laboratories, and profound transcriptomic shifts in transitioning from 2D to 3D spheroid growth models. Our findings also call into question the validity of widely available immortalized, non-transformed pancreatic lines as contemporaneous “control” lines in experiments. Further, while patient-derived organoid (PDOs) are known to reflect the cognate in vivo biology of the parental tumor, we identify transcriptomic shifts during ex vivo passage that might hamper their predictive abilities over time. The impact of these findings on rigor and reproducibility of experimental data generated using established preclinical PDAC models between and across laboratories is uncertain, but a matter of concern.

Abstract Intraductal papillary mucinous neoplasms (IPMNs) are cystic precursor lesions to pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC). IPMNs undergo multistep progression from low grade (LG) to high grade (HG) dysplasia, culminating in invasive neoplasia. While patterns of IPMN progression have been analyzed using multi-region sequencing for somatic mutations, there is no integrated assessment of molecular events, including copy number alterations (CNAs) and transcriptomics changes, that accompany IPMN progression. We performed laser capture microdissection on surgically resected IPMNs of varying grades of histological dysplasia obtained from 24 patients (total of 74 independent histological lesions), followed by whole exome and whole transcriptome sequencing. Overall, HG IPMNs displayed a significantly greater aneuploidy score than LG lesions, with chromosome 1q amplification, in particular, being associated with HG progression and with cases that harbored cooccurring PDAC. Furthermore, the combined assessment of single nucleotide variants (SNVs) and CNAs identified both linear and branched evolutionary trajectories, underscoring the heterogeneity in the progression of LG lesions to HG and PDAC. At the transcriptome level, upregulation of MYC-regulated targets and downregulation of transcripts associated with the MHC class I antigen presentation machinery was a common feature of progression to HG. Taken together, this work emphasizes the role of 1q copy number amplification as a putative biomarker of high-risk IPMNs, underscores the importance of immune evasion even in non-invasive precursor lesions, and supports a previously underappreciated role of CNA-driven branching evolution as an avenue for IPMN progression. Our study provides important molecular context for risk stratification and cancer interception opportunities in IPMNs. Significance Integrated molecular analysis of genomic and transcriptomic alterations in the multistep progression of intraductal papillary mucinous neoplasms (IPMNs), which are bona fide precursors of pancreatic cancer, identifies features associated with progression of low-risk lesions to high-risk lesions and cancer, which might enable patient stratification and cancer interception strategies.

Abstract RNF43 is an E3 ubiquitin ligase that is recurrently mutated in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) and precursor cystic neoplasms of the pancreas. The impact of RNF43 mutations on PDAC is poorly understood and autochthonous models have not been sufficiently characterized. In this study we describe a genetically engineered mouse model (GEMM) of PDAC with conditional expression of oncogenic Kras and deletion of the catalytic domain of Rnf43 (KRC) in exocrine cells. We demonstrate that Rnf43 loss results in an increased incidence of high-grade cystic lesions of the pancreas and PDAC. Importantly, KRC mice have a significantly decreased survival compared to mice containing only an oncogenic Kras mutation. By use of single cell RNA sequencing we demonstrated that KRC tumor progression is accompanied by a decrease in macrophages, as well as an increase in T and B lymphocytes with evidence of increased immune checkpoint molecule expression and affinity maturation, respectively. This was in stark contrast to the tumor immune microenvironment observed in the Kras / Tp53 driven PDAC GEMM. Furthermore, expression of the chemokine, CXCL5, was found to be specifically decreased in KRC cancer cells by means of epigenetic regulation and emerged as a putative candidate for mediating the unique KRC immune landscape. This GEMM establishes RNF43 as a bona fide tumor suppressor gene in PDAC and puts forth a rationale for an immunotherapy approach in this subset of PDAC cases.

Abstract Intraductal Papillary Mucinous Neoplasms (IPMNs) of the pancreas are bona fide precursor lesions of pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC). The most common subtype of IPMNs harbor a gastric foveolar-type epithelium, and these low-grade mucinous neoplasms are harbingers of IPMNs with high-grade dysplasia and cancer. The molecular underpinning of gastric differentiation in IPMNs is unknown, although identifying drivers of this indolent phenotype might enable opportunities for intercepting progression to high-grade IPMN and cancer. We conducted spatial transcriptomics on a cohort of IPMNs, followed by orthogonal and cross species validation studies, which established the transcription factor NKX6-2 as a key determinant of gastric cell identity in low-grade IPMNs. Loss of NKX6-2 expression is a consistent feature of IPMN progression, while re-expression of NKX6-2 in murine IPMN lines recapitulates the aforementioned gastric transcriptional program and glandular morphology. Our study identifies NKX6-2 as a previously unknown transcription factor driving indolent gastric differentiation in IPMN pathogenesis. Significance Improved understanding of the molecular features driving IPMN development and differentiation is critical to prevent cancer progression and enhance risk stratification. Our study employed spatial profiling technologies to characterize the epithelium and microenvironment of IPMN, which revealed a previously unknown link between NKX6-2 expression and gastric differentiation in IPMNs, the latter associated with an indolent biological potential.

Background: Early detection of pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) remains elusive. Cystic precursor lesions of PDAC, specifically, intraductal papillary mucinous neoplasms (IPMNs) represent a bona fide pathway to invasive neoplasia, although the molecular correlates of progression remain to be fully elucidated. Single cell transcriptomics provides a unique avenue for dissecting both the epithelial and microenvironmental heterogeneity that accompany multistep progression from non-invasive IPMNs to PDAC. Methods: Single cell RNA sequencing was performed through droplet-based sequencing on 5,403 cells derived from two low grade IPMNs (LGD-IPMN), two high grade IPMNs (HGD-IPMN), and two PDACs (all surgically resected). Results: Analysis of single cell transcriptomes revealed heterogeneous alterations within both the epithelium and in the tumor microenvironment during the progression of non-invasive dysplasia to invasive cancer. Specifically, while HGD-IPMNs expressed many core-signaling pathways described in PDAC, even LGD-IPMNs harbored subsets of single cells with a transcriptomic profile that overlapped with invasive cancer. Notably, a pro-inflammatory immune component was readily seen in low-grade IPMNs, comprised of cytotoxic T cells, activated T helper cells, and dendritic cells, which was progressively depleted during neoplastic progression, accompanied by infiltration of myeloid-derived suppressor cells. Finally, stromal myofibroblast populations were heterogeneous, and acquired a previously described tumor-promoting and immune-evading phenotype during invasive carcinogenesis. Conclusions: This study demonstrates the ability to perform high resolution profiling of the transcriptomic changes that occur during the multistep progression of cystic PDAC precursors to cancer. Notably, single cell analysis provides an unparalleled insight into both the epithelial and microenvironmental heterogeneity that accompany early cancer pathogenesis, and might be a useful substrate to identify targets for cancer interception.