Models that recapitulate the complexity of human tumors are urgently needed to develop more effective cancer therapies. We report a bank of human patient-derived xenografts (PDXs) and matched organoid cultures from tumors that represent the greatest unmet need: endocrine-resistant, treatment-refractory and metastatic breast cancers. We leverage matched PDXs and PDX-derived organoids (PDxO) for drug screening that is feasible and cost-effective with in vivo validation. Moreover, we demonstrate the feasibility of using these models for precision oncology in real time with clinical care in a case of triple-negative breast cancer (TNBC) with early metastatic recurrence. Our results uncovered a Food and Drug Administration (FDA)-approved drug with high efficacy against the models. Treatment with this therapy resulted in a complete response for the individual and a progression-free survival (PFS) period more than three times longer than their previous therapies. This work provides valuable methods and resources for functional precision medicine and drug development for human breast cancer.

Abstract Model systems that recapitulate the complexity of human tumors and the reality of variable treatment responses are urgently needed to better understand cancer biology and to develop more effective cancer therapies. Here we report development and characterization of a large bank of patient-derived xenografts (PDX) and matched organoid cultures from tumors that represent some of the greatest unmet needs in breast cancer research and treatment. These include endocrine-resistant, treatment-refractory, and metastatic breast cancers and, in some cases, multiple tumor collections from the same patients. The models can be grown long-term with high fidelity to the original tumors. We show that development of matched PDX and PDX-derived organoid (PDxO) models facilitates high-throughput drug screening that is feasible and cost-effective, while also allowing in vivo validation of results. Our data reveal consistency between drug screening results in organoids and drug responses in breast cancer PDX. Moreover, we demonstrate the feasibility of using these patient-derived models for precision oncology in real time with patient care, using a case of a triple negative breast cancer with early metastatic recurrence as an example. Our results uncovered an FDA-approved drug with high efficacy against the models. Treatment with the PDxO-directed therapy resulted in a complete response for the patient and a progression-free survival period more than three times longer than her previous therapies. This work provides valuable new methods and resources for functional precision medicine and drug development for human breast cancer. Graphical Abstract

PURPOSE Assessing risk of recurrence for nonmetastatic triple-negative breast cancer (TNBC) is a key determinant of therapeutic strategy. The best predictor of recurrence risk is failure to achieve a pathologic complete response after preoperative chemotherapy, but it imperfectly correlates with the definitive end points of relapse-free and overall survival (OS). The inability to accurately predict recurrence has led to increasingly toxic treatment regimens for patients with early-stage TNBC. Better assays for recurrence risk are needed to tailor aggressive therapy for patients who need it and avoid overtreatment and unnecessary toxicity for those at low risk. The purpose of this study was to determine if patient-derived xenograft (PDX) engraftment of newly diagnosed breast tumors can serve as an accurate predictor of recurrence and death from breast cancer. METHODS This study was a blinded noninterventional trial comprising 80 patients with newly diagnosed, nonmetastatic, estrogen receptor (ER)-negative or ER-low breast cancer. RESULTS PDX engraftment was strongly associated with relapse in 1 year: 8 of 18 (44.4%) patients whose tumors engrafted relapsed versus 1 of 62 (1.6%) patients whose tumors did not engraft ( P < .0001). Patients whose tumors engrafted had a hazard ratio (HR) for relapse of 17.5. HRs for OS and breast cancer-specific survival in PDX+ patients were 21.1 and 39.5, respectively. CONCLUSION We report that the ability of a tumor to engraft as a PDX predicts early recurrence by serving as a functional readout of aggressiveness and prospectively identifies the most devastating tumors. This provides new opportunity to develop surrogate assays, such as biomarkers of engraftment, which will extend the clinical feasibility of this finding.

1015 Background: H3B-6545 is a novel selective ER covalent antagonist (SERCA) that inactivates wild-type and mutant ERα. This phase 1/2 study aimed to identify the maximum tolerated dose (MTD)/recommended phase 2 dose (RP2D), and characterize safety and efficacy of H3B-6545 in women with advanced/metastatic ER+, HER2– BC. Methods: This multicenter, open-label study included dose-escalation [ph1] and -expansion [ph2] phases. Females (postmenopausal or concurrently receiving a luteinizing hormone-releasing hormone agonist) with ER+, HER2–BC who had disease progression on standard therapy were eligible. Prior therapy must have included a minimum of 2 hormonal therapies (HTs), or 1 HT + 1 chemotherapy, or 1 HT + a CDK4/6 inhibitor. H3B-6545 was administered orally QD at doses of 100-600 mg. The MTD was the highest dose at which ≤1 of 6 patients (pts) had a dose-limiting toxicity (DLT). In ph2, efficacy of the RP2D was examined. The primary endpoints were determination of RP2D (ph1) and efficacy (ph2; including objective response rate [ORR], duration of response [DOR], and progression-free survival [PFS] per RECIST v1.1 by investigator, and overall survival [OS]). Safety and PK were secondary endpoints. Results: At data cutoff (30 Nov 22), 151 pts received ≥1 dose of H3B-6545 during ph1 or ph2. Pts had a median (m [range]) of 2 (1-7) prior endocrine- and 1 (1-6) non-endocrine–containing therapies; 90.1% of pts received prior CDK4/6 inhibitors. During ph1, DLTs of grade (G) 3 rash (n=1) and G 3 fatigue (n=1) were observed at 600 mg; thus, 450 mg was determined to be the MTD/RP2D. In the full analysis set (N=151), 100% and 50.3% of pts had any grade and G ≥3 treatment-emergent adverse events (TEAEs), respectively. TEAEs leading to drug interruption, dose reduction, and withdrawal occurred in 38.4%, 20.5%, and 8.6% of pts, respectively. Nausea (45.7% [2.0% G ≥3]), sinus bradycardia (44.4% [0% G ≥3]), and diarrhea (41.1% [1.3% G ≥3]) were the most common TEAEs. QT prolongation occurred in 9.9% [3.3% G ≥3] of pts. Among 94 response-evaluable pts treated at 450 mg, ORR was 20.2% (95% CI 12.6–29.8) and clinical benefit rate (CBR) was 41.5% (95% CI 31.4–52.1); mPFS (95% CI) was 5.06 (3.15–7.26) months. Among all pts treated at 450 mg (n=115), mOS (95% CI) was 21.52 (16.56–25.46) months. Plasma concentration of H3B-6545 increased as dose increased. Additional results are shown (Table). Conclusions: H3B-6545 had a low rate of G ≥3 TEAEs and showed clinically meaningful antitumor activity in heavily pretreated female patients with ER+, HER2– BC. Clinical trial information: NCT03250676 . [Table: see text]

LBA509 Background: I-SPY2.2 is a multicenter phase 2 platform sequential multiple assignment randomized trial (SMART) evaluating novel experimental regimens in the neoadjuvant breast cancer setting. The novel therapy is given as first in a sequence (Block A), followed by standard chemo/targeted therapies (Block B/C) if indicated. The goal is to identify agents that lead to pCR after novel targeted agents alone, or in sequence with optimal therapy assigned based on the tumor response predictive subtype (RPS). RPS incorporates expression-based immune, DNA repair deficiency (DRD), and luminal signatures with hormone receptor (HR) and HER2 status to classify patients by subtype: S1: HR+HER2-Immune-DRD-; S2: HR-HER2-Immune-DRD-; S3: HER2-Immune+; S4: HER2-Immune-DRD+; S5: HER2+/non-Luminal; S6: HER2+/Luminal. Methods: RPS S1, S2, S3 and S4 were eligible for assignment to Dato in Block A. Patients (pts) were followed by MRI during treatment (at 3, 6 and 12 weeks after start of Blocks A and B). Predicted responders by MRI and biopsy at the end of Block A or B have the option of going to surgery early, otherwise they proceed to next treatment Block (B +/- C). Randomization to Block B includes a taxane-based regimen specific to the RPS, and options include S1: paclitaxel; S2 and S3: paclitaxel + carboplatin + pembrolizumab; S4: paclitaxel + carboplatin vs. paclitaxel + carboplatin + pembrolizumab. Patients who did not go to surgery after Block B proceeded to Block C (AC or AC + Pembrolizumab if HR-HER2-). The primary endpoint is pCR. Efficacy is evaluated within each RPS and HR+HER2- and HR-HER2- signatures. To estimate the arm's efficacy as a stand-alone therapy, we use a Bayesian covariate-adjusted model to estimate the pCR rate and compare the posterior distribution to a subtype-specific fixed threshold. This model uses pCR data when available and MRI data when pCR is not. To estimate pCR rate in the context of a multi-decision treatment regimen, we use a Bayesian model based on if and when a pCR occurred in the trial. The posterior is compared to a subtype-specific dynamic control generated from historical I-SPY data. Results: 103 pts were randomly assigned to the Dato arm between August 2022 and August 2023. All patients have proceeded beyond Block A; 33 went to surgery after Dato alone. The efficacy results for Dato as a stand-alone therapy are summarized in Table. Conclusions: Dato monotherapy was active, particularly in the HR-HER2- signature, but did not meet the pre-specified threshold for graduation in I-SPY 2.2. Clinical trial information: NCT01042379 . [Table: see text]