Among patients with non–small-cell lung cancer (NSCLC), data on intratumor heterogeneity and cancer genome evolution have been limited to small retrospective cohorts. We wanted to prospectively investigate intratumor heterogeneity in relation to clinical outcome and to determine the clonal nature of driver events and evolutionary processes in early-stage NSCLC.

The early detection of relapse following primary surgery for non-small-cell lung cancer and the characterization of emerging subclones, which seed metastatic sites, might offer new therapeutic approaches for limiting tumour recurrence. The ability to track the evolutionary dynamics of early-stage lung cancer non-invasively in circulating tumour DNA (ctDNA) has not yet been demonstrated. Here we use a tumour-specific phylogenetic approach to profile the ctDNA of the first 100 TRACERx (Tracking Non-Small-Cell Lung Cancer Evolution Through Therapy (Rx)) study participants, including one patient who was also recruited to the PEACE (Posthumous Evaluation of Advanced Cancer Environment) post-mortem study. We identify independent predictors of ctDNA release and analyse the tumour-volume detection limit. Through blinded profiling of postoperative plasma, we observe evidence of adjuvant chemotherapy resistance and identify patients who are very likely to experience recurrence of their lung cancer. Finally, we show that phylogenetic ctDNA profiling tracks the subclonal nature of lung cancer relapse and metastasis, providing a new approach for ctDNA-driven therapeutic studies. Circulating tumour DNA profiling in early-stage non-small-cell lung cancer can be used to track single-nucleotide variants in plasma to predict lung cancer relapse and identify tumour subclones involved in the metastatic process. Circulating tumour DNA (ctDNA) has proven useful for detecting and monitoring cancer progression from plasma samples. The authors have applied a bespoke multiplex-PCR next-generation sequencing approach to profile ctDNA in the prospective TRACERx lung cancer clinical trial study. The assay tracks clonal and subclonal variants, in pre- and post-surgery samples. In pre-surgery samples ctDNA detection is associated with histological subtype and other pathological variables and correlates with tumour volume. Blinded longitudinal profiling suggests that ctDNA detection also associates with relapse, and provides insight into the evolutionary patterns of tumour cell subclones during progression. These results advance our understanding of how liquid biopsies can be applied clinically to improve monitoring of cancer.

Summary

 Immune evasion is a hallmark of cancer. Losing the ability to present neoantigens through human leukocyte antigen (HLA) loss may facilitate immune evasion. However, the polymorphic nature of the locus has precluded accurate HLA copy-number analysis. Here, we present loss of heterozygosity in human leukocyte antigen (LOHHLA), a computational tool to determine HLA allele-specific copy number from sequencing data. Using LOHHLA, we find that HLA LOH occurs in 40% of non-small-cell lung cancers (NSCLCs) and is associated with a high subclonal neoantigen burden, APOBEC-mediated mutagenesis, upregulation of cytolytic activity, and PD-L1 positivity. The focal nature of HLA LOH alterations, their subclonal frequencies, enrichment in metastatic sites, and occurrence as parallel events suggests that HLA LOH is an immune escape mechanism that is subject to strong microenvironmental selection pressures later in tumor evolution. Characterizing HLA LOH with LOHHLA refines neoantigen prediction and may have implications for our understanding of resistance mechanisms and immunotherapeutic approaches targeting neoantigens. 

Video Abstract

Spatial and temporal dissection of the genomic changes occurring during the evolution of human non–small cell lung cancer (NSCLC) may help elucidate the basis for its dismal prognosis. We sequenced 25 spatially distinct regions from seven operable NSCLCs and found evidence of branched evolution, with driver mutations arising before and after subclonal diversification. There was pronounced intratumor heterogeneity in copy number alterations, translocations, and mutations associated with APOBEC cytidine deaminase activity. Despite maintained carcinogen exposure, tumors from smokers showed a relative decrease in smoking-related mutations over time, accompanied by an increase in APOBEC-associated mutations. In tumors from former smokers, genome-doubling occurred within a smoking-signature context before subclonal diversification, which suggested that a long period of tumor latency had preceded clinical detection. The regionally separated driver mutations, coupled with the relentless and heterogeneous nature of the genome instability processes, are likely to confound treatment success in NSCLC.

Abstract Analysis of human blood immune cells provides insights into the coordinated response to viral infections such as severe acute respiratory syndrome coronavirus 2, which causes coronavirus disease 2019 (COVID-19). We performed single-cell transcriptome, surface proteome and T and B lymphocyte antigen receptor analyses of over 780,000 peripheral blood mononuclear cells from a cross-sectional cohort of 130 patients with varying severities of COVID-19. We identified expansion of nonclassical monocytes expressing complement transcripts ( CD16 + C1QA/B/C + ) that sequester platelets and were predicted to replenish the alveolar macrophage pool in COVID-19. Early, uncommitted CD34 + hematopoietic stem/progenitor cells were primed toward megakaryopoiesis, accompanied by expanded megakaryocyte-committed progenitors and increased platelet activation. Clonally expanded CD8 + T cells and an increased ratio of CD8 + effector T cells to effector memory T cells characterized severe disease, while circulating follicular helper T cells accompanied mild disease. We observed a relative loss of IgA2 in symptomatic disease despite an overall expansion of plasmablasts and plasma cells. Our study highlights the coordinated immune response that contributes to COVID-19 pathogenesis and reveals discrete cellular components that can be targeted for therapy.

Summary

Background

 Stem-cell-based, tissue engineered transplants might offer new therapeutic options for patients, including children, with failing organs. The reported replacement of an adult airway using stem cells on a biological scaffold with good results at 6 months supports this view. We describe the case of a child who received a stem-cell-based tracheal replacement and report findings after 2 years of follow-up. 

Methods

 A 12-year-old boy was born with long-segment congenital tracheal stenosis and pulmonary sling. His airway had been maintained by metal stents, but, after failure, a cadaveric donor tracheal scaffold was decellularised. After a short course of granulocyte colony stimulating factor, bone marrow mesenchymal stem cells were retrieved preoperatively and seeded onto the scaffold, with patches of autologous epithelium. Topical human recombinant erythropoietin was applied to encourage angiogenesis, and transforming growth factor β to support chondrogenesis. Intravenous human recombinant erythropoietin was continued postoperatively. Outcomes were survival, morbidity, endoscopic appearance, cytology and proteomics of brushings, and peripheral blood counts. 

Findings

 The graft revascularised within 1 week after surgery. A strong neutrophil response was noted locally for the first 8 weeks after surgery, which generated luminal DNA neutrophil extracellular traps. Cytological evidence of restoration of the epithelium was not evident until 1 year. The graft did not have biomechanical strength focally until 18 months, but the patient has not needed any medical intervention since then. 18 months after surgery, he had a normal chest CT scan and ventilation-perfusion scan and had grown 11 cm in height since the operation. At 2 years follow-up, he had a functional airway and had returned to school. 

Interpretation

 Follow-up of the first paediatric, stem-cell-based, tissue-engineered transplant shows potential for this technology but also highlights the need for further research. 

Funding

 Great Ormond Street Hospital NHS Trust, The Royal Free Hampstead NHS Trust, University College Hospital NHS Foundation Trust, and Region of Tuscany.

The assessment of the risks exerted by nanoparticles is a key challenge for academic, industrial, and regulatory communities worldwide. Experimental evidence points towards significant toxicity for a range of nanoparticles both in vitro and in vivo. Worldwide efforts aim at uncovering the underlying mechanisms for this toxicity. Here, we show that the intracellular ion release elicited by the acidic conditions of the lysosomal cellular compartment--where particles are abundantly internalized--is responsible for the cascading events associated with nanoparticles-induced intracellular toxicity. We call this mechanism a "lysosome-enhanced Trojan horse effect" since, in the case of nanoparticles, the protective cellular machinery designed to degrade foreign objects is actually responsible for their toxicity. To test our hypothesis, we compare the toxicity of similar gold particles whose main difference is in the internalization pathways. We show that particles known to pass directly through cell membranes become more toxic when modified so as to be mostly internalized by endocytosis. Furthermore, using experiments with chelating and lysosomotropic agents, we found that the toxicity mechanism for different metal containing NPs (such as metallic, metal oxide, and semiconductor NPs) is mainly associated with the release of the corresponding toxic ions. Finally, we show that particles unable to release toxic ions (such as stably coated NPs, or diamond and silica NPs) are not harmful to intracellular environments.

Abstract Cancer is a leading cause of mortality throughout the world and new treatments are urgently needed. Recent studies suggest that bone marrow–derived mesenchymal stem cells (MSC) home to and incorporate within tumor tissue. We hypothesized that MSCs engineered to produce and deliver tumor necrosis factor–related apoptosis-inducing ligand (TRAIL), a transmembrane protein that causes selective apoptosis of tumor cells, would home to and kill cancer cells in a lung metastatic cancer model. Human MSCs were transduced with TRAIL and the IRES-eGFP reporter gene under the control of a tetracycline promoter using a lentiviral vector. Transduced and activated MSCs caused lung (A549), breast (MDAMB231), squamous (H357), and cervical (Hela) cancer cell apoptosis and death in coculture experiments. Subcutaneous xenograft experiments confirmed that directly delivered TRAIL-expressing MSCs were able to significantly reduce tumor growth [0.12 cm3 (0.04-0.21) versus 0.66 cm3 (0.21-1.11); P < 0.001]. We then found, using a pulmonary metastasis model, systemically delivered MSCs localized to lung metastases and the controlled local delivery of TRAIL completely cleared the metastatic disease in 38% of mice compared with 0% of controls (P < 0.05). This is the first study to show a significant reduction in metastatic tumor burden with frequent eradication of metastases using inducible TRAIL-expressing MSCs. This has a wide potential therapeutic role, which includes the treatment of both primary tumors and their metastases, possibly as an adjuvant therapy in clearing micrometastatic disease following primary tumor resection. [Cancer Res 2009;69(10):4134–42]

Tobacco smoking causes lung cancer1–3, a process that is driven by more than 60 carcinogens in cigarette smoke that directly damage and mutate DNA4,5. The profound effects of tobacco on the genome of lung cancer cells are well-documented6–10, but equivalent data for normal bronchial cells are lacking. Here we sequenced whole genomes of 632 colonies derived from single bronchial epithelial cells across 16 subjects. Tobacco smoking was the major influence on mutational burden, typically adding from 1,000 to 10,000 mutations per cell; massively increasing the variance both within and between subjects; and generating several distinct mutational signatures of substitutions and of insertions and deletions. A population of cells in individuals with a history of smoking had mutational burdens that were equivalent to those expected for people who had never smoked: these cells had less damage from tobacco-specific mutational processes, were fourfold more frequent in ex-smokers than current smokers and had considerably longer telomeres than their more-mutated counterparts. Driver mutations increased in frequency with age, affecting 4–14% of cells in middle-aged subjects who had never smoked. In current smokers, at least 25% of cells carried driver mutations and 0–6% of cells had two or even three drivers. Thus, tobacco smoking increases mutational burden, cell-to-cell heterogeneity and driver mutations, but quitting promotes replenishment of the bronchial epithelium from mitotically quiescent cells that have avoided tobacco mutagenesis. Whole-genome sequencing of normal bronchial epithelium from 16 individuals shows that tobacco smoking increases genomic heterogeneity, mutational burden and driver mutations, whereas stopping smoking promotes replenishment of the epithelium with near-normal cells.

Introduction The human genome is peppered with mobile repetitive elements called long interspersed nuclear element–1 (L1) retrotransposons. Propagating through RNA and cDNA intermediates, these molecular parasites copy and insert themselves throughout the genome, with potentially disruptive effects on neighboring genes or regulatory sequences. In the germ line, unique sequence downstream of L1 elements can also be retrotransposed if transcription continues beyond the repeat, a process known as 3′ transduction. There has been growing interest in retrotransposition and 3′ transduction as a possible source of somatic mutations during tumorigenesis. Rationale To explore whether 3′ transductions are frequent in cancer, we developed a bioinformatic algorithm for identifying somatically acquired retrotranspositions in cancer genomes. We applied our algorithm to 290 cancer samples from 244 patients across 12 tumor types. The unique downstream sequence mobilized with 3′ transductions effectively fingerprints the L1 source element, providing insights into the activity of individual L1 loci across the genome. Results Across the 290 samples, we identified 2756 somatic L1 retrotranspositions. Tumors from 53% of patients had at least one such event, with colorectal and lung cancers being most frequently affected (93% and 75% of patients, respectively). Somatic 3′ transductions comprised 24% of events, half of which represented mobilizations of unique sequence alone, without any accompanying L1 sequence. Overall, 95% of 3′ transductions identified derived from only 72 germline L1 source elements, with as few as four loci accounting for 50% of events. In a given sample, the same source element could generate 50 or more somatic transductions, scattered extensively across the genome. About 5% of somatic transductions arose from L1 source elements that were themselves somatic retrotranspositions. In three of the cases in which we sequenced more than one sample from a patient’s tumor, we were able to place 3′ transductions on the phylogenetic tree. We found that the activity of individual source elements fluctuated during tumor evolution, with different subclones exhibiting much variability in which elements were “on” and which were “off.” The ability to identify the individual L1 source elements active in a given tumor enabled us to study the promoter methylation of those elements specifically. We found that 3′ transduction activity in a patient’s tumor was always associated with hypomethylation of that element. Overall, 2.3% of transductions distributed exons or entire genes to other sites in the genome, and many more mobilized deoxyribonuclease I (DNAse-I) hypersensitive sites or transcription factor binding sites identified by the ENCODE project. Occasionally, somatic L1 insertions inserted near coding sequence and redistributed these exons elsewhere in the genome. However, we found no general effects of retrotranspositions on transcription levels of genes at the insertion points and no evidence for aberrant RNA species resulting from somatically acquired transposable elements. Indeed, as with germline retrotranspositions, somatic insertions exhibited a strong enrichment in heterochromatic, gene-poor regions of the genome. Conclusion Somatic 3′ transduction occurs frequently in human tumors, and in some cases transduction events can scatter exons, genes, and regulatory elements widely across the genome. Dissemination of these sequences appears to be due to a small number of highly active L1 elements, whose activity can wax and wane during tumor evolution. The majority of the retrotransposition events are likely to be harmless “passenger” mutations.