Antibodies that block programmed death 1 (PD-1) protein improve survival in patients with advanced non–small-cell lung cancer (NSCLC) but have not been tested in resectable NSCLC, a condition in which little progress has been made during the past decade.

Cell-free DNA in the blood provides a non-invasive diagnostic avenue for patients with cancer1. However, characteristics of the origins and molecular features of cell-free DNA are poorly understood. Here we developed an approach to evaluate fragmentation patterns of cell-free DNA across the genome, and found that profiles of healthy individuals reflected nucleosomal patterns of white blood cells, whereas patients with cancer had altered fragmentation profiles. We used this method to analyse the fragmentation profiles of 236 patients with breast, colorectal, lung, ovarian, pancreatic, gastric or bile duct cancer and 245 healthy individuals. A machine learning model that incorporated genome-wide fragmentation features had sensitivities of detection ranging from 57% to more than 99% among the seven cancer types at 98% specificity, with an overall area under the curve value of 0.94. Fragmentation profiles could be used to identify the tissue of origin of the cancers to a limited number of sites in 75% of cases. Combining our approach with mutation-based cell-free DNA analyses detected 91% of patients with cancer. The results of these analyses highlight important properties of cell-free DNA and provide a proof-of-principle approach for the screening, early detection and monitoring of human cancer.

Noninvasive liquid biopsy analysis of circulating tumor DNA permits direct detection of early-stage cancers.

Abstract Immune checkpoint inhibitors have shown significant therapeutic responses against tumors containing increased mutation-associated neoantigen load. We have examined the evolving landscape of tumor neoantigens during the emergence of acquired resistance in patients with non–small cell lung cancer after initial response to immune checkpoint blockade with anti–PD-1 or anti–PD-1/anti–CTLA-4 antibodies. Analyses of matched pretreatment and resistant tumors identified genomic changes resulting in loss of 7 to 18 putative mutation-associated neoantigens in resistant clones. Peptides generated from the eliminated neoantigens elicited clonal T-cell expansion in autologous T-cell cultures, suggesting that they generated functional immune responses. Neoantigen loss occurred through elimination of tumor subclones or through deletion of chromosomal regions containing truncal alterations, and was associated with changes in T-cell receptor clonality. These analyses provide insight into the dynamics of mutational landscapes during immune checkpoint blockade and have implications for the development of immune therapies that target tumor neoantigens. Significance: Acquired resistance to immune checkpoint therapy is being recognized more commonly. This work demonstrates for the first time that acquired resistance to immune checkpoint blockade can arise in association with the evolving landscape of mutations, some of which encode tumor neoantigens recognizable by T cells. These observations imply that widening the breadth of neoantigen reactivity may mitigate the development of acquired resistance. Cancer Discov; 7(3); 264–76. ©2017 AACR. See related commentary by Yang, p. 250. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 235

Recent strategies targeting the interaction of the programmed cell death ligand-1 (PD-L1, B7-H1, CD274) with its receptor, PD-1, resulted in promising activity in early phase clinical trials. In this study, we used various antibodies and in situ mRNA hybridization to measure PD-L1 in non-small cell lung cancer (NSCLC) using a quantitative fluorescence (QIF) approach to determine the frequency of expression and prognostic value in two independent populations. A control tissue microarray (TMA) was constructed using PD-L1-transfected cells, normal human placenta and known PD-L1-positive NSCLC cases. Only one of four antibodies against PD-L1 (5H1) validated for specificity on this TMA. In situ PD-L1 mRNA using the RNAscope method was similarly validated. Two cohorts of NSCLC cases in TMAs including 340 cases from hospitals in Greece and 204 cases from Yale University were assessed. Tumors showed PD-L1 protein expression in 36% (Greek) and 25% (Yale) of the cases. PD-L1 expression was significantly associated with tumor-infiltrating lymphocytes in both cohorts. Patients with PD-L1 (both protein and mRNA) expression above the detection threshold showed statistically significant better outcome in both series (log-rank P=0.036 and P=0.027). Multivariate analysis showed that PD-L1 expression was significantly associated with better outcome independent of histology. Measurement of PD-L1 requires specific conditions and some commercial antibodies show lack of specificity. Expression of PD-L1 protein or mRNA is associated with better outcome. Further studies are required to determine the value of this marker in prognosis and prediction of response to treatments targeting this pathway.

Colorectal cancer is the third most common cancer worldwide, with 1.2 million patients diagnosed annually. In late-stage colorectal cancer, the most commonly used targeted therapies are the monoclonal antibodies cetuximab and panitumumab, which prevent epidermal growth factor receptor (EGFR) activation. Recent studies have identified alterations in KRAS and other genes as likely mechanisms of primary and secondary resistance to anti-EGFR antibody therapy. Despite these efforts, additional mechanisms of resistance to EGFR blockade are thought to be present in colorectal cancer and little is known about determinants of sensitivity to this therapy. To examine the effect of somatic genetic changes in colorectal cancer on response to anti-EGFR antibody therapy, here we perform complete exome sequence and copy number analyses of 129 patient-derived tumour grafts and targeted genomic analyses of 55 patient tumours, all of which were KRAS wild-type. We analysed the response of tumours to anti-EGFR antibody blockade in tumour graft models and in clinical settings and functionally linked therapeutic responses to mutational data. In addition to previously identified genes, we detected mutations in ERBB2, EGFR, FGFR1, PDGFRA, and MAP2K1 as potential mechanisms of primary resistance to this therapy. Novel alterations in the ectodomain of EGFR were identified in patients with acquired resistance to EGFR blockade. Amplifications and sequence changes in the tyrosine kinase receptor adaptor gene IRS2 were identified in tumours with increased sensitivity to anti-EGFR therapy. Therapeutic resistance to EGFR blockade could be overcome in tumour graft models through combinatorial therapies targeting actionable genes. These analyses provide a systematic approach to evaluating response to targeted therapies in human cancer, highlight new mechanisms of responsiveness to anti-EGFR therapies, and delineate new avenues for intervention in managing colorectal cancer.

Pancreatic adenocarcinoma has the worst mortality of any solid cancer. In this study, to evaluate the clinical implications of genomic alterations in this tumour type, we perform whole-exome analyses of 24 tumours, targeted genomic analyses of 77 tumours, and use non-invasive approaches to examine tumour-specific mutations in the circulation of these patients. These analyses reveal somatic mutations in chromatin-regulating genes MLL, MLL2, MLL3 and ARID1A in 20% of patients that are associated with improved survival. We observe alterations in genes with potential therapeutic utility in over a third of cases. Liquid biopsy analyses demonstrate that 43% of patients with localized disease have detectable circulating tumour DNA (ctDNA) at diagnosis. Detection of ctDNA after resection predicts clinical relapse and poor outcome, with recurrence by ctDNA detected 6.5 months earlier than with CT imaging. These observations provide genetic predictors of outcome in pancreatic cancer and have implications for new avenues of therapeutic intervention. Somatic mutations have been reported in pancreatic adenocarcinomas. Here, Sausen et al. identify further mutations and find that mutations in the chromatin modifying gene, MLL, are associated with increased survival, and that the presence of circulating tumour DNA in the serum of patients is associated with poor survival.

Combining DNA-demethylating agents (DNA methyltransferase inhibitors [DNMTis]) with histone deacetylase inhibitors (HDACis) holds promise for enhancing cancer immune therapy. Herein, pharmacologic and isoform specificity of HDACis are investigated to guide their addition to a DNMTi, thus devising a new, low-dose, sequential regimen that imparts a robust anti-tumor effect for non-small-cell lung cancer (NSCLC). Using in-vitro-treated NSCLC cell lines, we elucidate an interferon α/β-based transcriptional program with accompanying upregulation of antigen presentation machinery, mediated in part through double-stranded RNA (dsRNA) induction. This is accompanied by suppression of MYC signaling and an increase in the T cell chemoattractant CCL5. Use of this combination treatment schema in mouse models of NSCLC reverses tumor immune evasion and modulates T cell exhaustion state towards memory and effector T cell phenotypes. Key correlative science metrics emerge for an upcoming clinical trial, testing enhancement of immune checkpoint therapy for NSCLC.

Analysis of matched tumor and normal DNA from the same patient improves accuracy of identification of actionable mutations, allowing better targeting of potential treatments.

Abstract

Background

 Neoadjuvant anti-PD-1 may improve outcomes for patients with resectable NSCLC and provides a critical window for examining pathologic features associated with response. Resections showing major pathologic response to neoadjuvant therapy, defined as ≤10% residual viable tumor (RVT), may predict improved long-term patient outcome. However, %RVT calculations were developed in the context of chemotherapy (%cRVT). An immune-related %RVT (%irRVT) has yet to be developed. 

Patients and methods

 The first trial of neoadjuvant anti-PD-1 (nivolumab, NCT02259621) was just reported. We analyzed hematoxylin and eosin-stained slides from the post-treatment resection specimens of the 20 patients with non-small-cell lung carcinoma who underwent definitive surgery. Pretreatment tumor biopsies and preresection radiographic ‘tumor' measurements were also assessed. 

Results

 We found that the regression bed (the area of immune-mediated tumor clearance) accounts for the previously noted discrepancy between CT imaging and pathologic assessment of residual tumor. The regression bed is characterized by (i) immune activation—dense tumor infiltrating lymphocytes with macrophages and tertiary lymphoid structures; (ii) massive tumor cell death—cholesterol clefts; and (iii) tissue repair—neovascularization and proliferative fibrosis (each feature enriched in major pathologic responders versus nonresponders, P<0.05). This distinct constellation of histologic findings was not identified in any pretreatment specimens. Histopathologic features of the regression bed were used to develop ‘Immune-Related Pathologic Response Criteria' (irPRC), and these criteria were shown to be reproducible amongst pathologists. Specifically, %irRVT had improved interobserver consistency compared with %cRVT [median per-case %RVT variability 5% (0%–29%) versus 10% (0%–58%), P=0.007] and a twofold decrease in median standard deviation across pathologists within a sample (4.6 versus 2.2, P=0.002). 

Conclusions

 irPRC may be used to standardize pathologic assessment of immunotherapeutic efficacy. Long-term follow-up is needed to determine irPRC reliability as a surrogate for recurrence-free and overall survival.