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.

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.