Blood-based, or "liquid," biopsies enable minimally invasive diagnostics but have limits on sensitivity due to scarce cell-free DNA (cfDNA). Improvements to sensitivity have primarily relied on enhancing sequencing technology ex vivo . Here, we sought to augment the level of circulating tumor DNA (ctDNA) detected in a blood draw by attenuating the clearance of cfDNA in vivo . We report a first-in-class intravenous DNA-binding priming agent given 2 hours prior to a blood draw to recover more cfDNA. The DNA-binding antibody minimizes nuclease digestion and organ uptake of cfDNA, decreasing its clearance at 1 hour by over 150-fold. To improve plasma persistence and limit potential immune interactions, we abrogated its Fc-effector function. We found that it protects GC-rich sequences and DNase-hypersensitive sites, which are ordinarily underrepresented in cfDNA. In tumor-bearing mice, priming improved tumor DNA recovery by 19-fold and sensitivity for detecting cancer from 6% to 84%. These results suggest a novel method to enhance the sensitivity of existing DNA-based cancer testing using blood biopsies.

Abstract Detecting mutations as rare as a single molecule is crucial in many fields such as cancer diagnostics and aging research but remains challenging. Third generation sequencers can read a double-stranded DNA molecule (a ‘single duplex’) in whole to identify true mutations on both strands apart from false mutations on either strand but with limited accuracy and throughput. Although next generation sequencing (NGS) can track dissociated strands with Duplex Sequencing, the need to sequence each strand independently severely diminishes its throughput. Here, we developed a hybrid method called Concatenating Original Duplex for Error Correction (CODEC) that combines the massively parallel nature of NGS with the single-molecule capability of third generation sequencing. CODEC physically links both strands to enable NGS to sequence a single duplex with a single read pair. By comparing CODEC and Duplex Sequencing, we showed that CODEC achieved a similar error rate (10 −6 ) with 100 times fewer reads and conferred ‘single duplex’ resolution to most major NGS workflows.

Identifying gene expression programs underlying cell-type identity and cellular processes is a crucial step toward understanding the organization of cells and tissues. Although single-cell RNA-Seq (scRNA-Seq) can quantify transcripts in individual cells, each cell's expression may derive both from programs determining cell-type and from programs facilitating dynamic cellular activities such as cell-division or apoptosis, which cannot be easily disentangled with current methods. Here, we introduce clustered non-negative matrix factorization (cNMF) as a solution to this problem. We show with simulations that it deconvolutes scRNA-Seq profiles into interpretable programs corresponding to both cell-types and cellular activities. Applied to published brain organoid and visual cortex datasets, cNMF refines the hierarchy of cell-types and identifies both expected (e.g. cell-cycle and hypoxia) and intriguing novel activity programs. In summary, we show that cNMF can increase the accuracy of cell-type identification while simultaneously inferring interpretable cellular activity programs in scRNA-Seq data, thus providing useful insight into how cells vary dynamically within cell-types.

Liquid biopsies are enabling minimally invasive monitoring and molecular profiling of diseases across medicine, but their sensitivity remains limited by the scarcity of cell-free DNA (cfDNA) in blood. Here, we report an intravenous priming agent that is given prior to a blood draw to increase the abundance of cfDNA in circulation. Our priming agent consists of nanoparticles that act on the cells responsible for cfDNA clearance to slow down cfDNA uptake. In tumor-bearing mice, this agent increases the recovery of circulating tumor DNA (ctDNA) by up to 60-fold and improves the sensitivity of a ctDNA diagnostic assay from 0% to 75% at low tumor burden. We envision that this priming approach will significantly improve the performance of liquid biopsies across a wide range of clinical applications in oncology and beyond.