Abstract Purpose: PD-1 inhibitors are established agents in the management of non–small cell lung cancer (NSCLC); however, only a subset of patients derives clinical benefit. To determine the activity of PD-1/PD-L1 inhibitors within clinically relevant molecular subgroups, we retrospectively evaluated response patterns among EGFR-mutant, anaplastic lymphoma kinase (ALK)-positive, and EGFR wild-type/ALK-negative patients. Experimental Design: We identified 58 patients treated with PD-1/PD-L1 inhibitors. Objective response rates (ORR) were assessed using RECIST v1.1. PD-L1 expression and CD8+ tumor-infiltrating lymphocytes (TIL) were evaluated by IHC. Results: Objective responses were observed in 1 of 28 (3.6%) EGFR-mutant or ALK-positive patients versus 7 of 30 (23.3%) EGFR wild-type and ALK-negative/unknown patients (P = 0.053). The ORR among never- or light- (≤10 pack years) smokers was 4.2% versus 20.6% among heavy smokers (P = 0.123). In an independent cohort of advanced EGFR-mutant (N = 68) and ALK-positive (N = 27) patients, PD-L1 expression was observed in 24%/16%/11% and 63%/47%/26% of pre–tyrosine kinase inhibitor (TKI) biopsies using cutoffs of ≥1%, ≥5%, and ≥50% tumor cell staining, respectively. Among EGFR-mutant patients with paired, pre- and post-TKI–resistant biopsies (N = 57), PD-L1 expression levels changed after resistance in 16 (28%) patients. Concurrent PD-L1 expression (≥5%) and high levels of CD8+ TILs (grade ≥2) were observed in only 1 pretreatment (2.1%) and 5 resistant (11.6%) EGFR-mutant specimens and was not observed in any ALK-positive, pre- or post-TKI specimens. Conclusions: NSCLCs harboring EGFR mutations or ALK rearrangements are associated with low ORRs to PD-1/PD-L1 inhibitors. Low rates of concurrent PD-L1 expression and CD8+ TILs within the tumor microenvironment may underlie these clinical observations. Clin Cancer Res; 22(18); 4585–93. ©2016 AACR. See related commentary by Gettinger and Politi, p. 4539

Although mechanisms of acquired resistance of epidermal growth factor receptor (EGFR)-mutant non-small-cell lung cancers to EGFR inhibitors have been identified, little is known about how resistant clones evolve during drug therapy. Here we observe that acquired resistance caused by the EGFR(T790M) gatekeeper mutation can occur either by selection of pre-existing EGFR(T790M)-positive clones or via genetic evolution of initially EGFR(T790M)-negative drug-tolerant cells. The path to resistance impacts the biology of the resistant clone, as those that evolved from drug-tolerant cells had a diminished apoptotic response to third-generation EGFR inhibitors that target EGFR(T790M); treatment with navitoclax, an inhibitor of the anti-apoptotic factors BCL-xL and BCL-2 restored sensitivity. We corroborated these findings using cultures derived directly from EGFR inhibitor-resistant patient tumors. These findings provide evidence that clinically relevant drug-resistant cancer cells can both pre-exist and evolve from drug-tolerant cells, and they point to therapeutic opportunities to prevent or overcome resistance in the clinic.

Abstract Single-cell genomics is essential to chart tumor ecosystems. Although single-cell RNA-Seq (scRNA-Seq) profiles RNA from cells dissociated from fresh tumors, single-nucleus RNA-Seq (snRNA-Seq) is needed to profile frozen or hard-to-dissociate tumors. Each requires customization to different tissue and tumor types, posing a barrier to adoption. Here, we have developed a systematic toolbox for profiling fresh and frozen clinical tumor samples using scRNA-Seq and snRNA-Seq, respectively. We analyzed 216,490 cells and nuclei from 40 samples across 23 specimens spanning eight tumor types of varying tissue and sample characteristics. We evaluated protocols by cell and nucleus quality, recovery rate and cellular composition. scRNA-Seq and snRNA-Seq from matched samples recovered the same cell types, but at different proportions. Our work provides guidance for studies in a broad range of tumors, including criteria for testing and selecting methods from the toolbox for other tumors, thus paving the way for charting tumor atlases.

Abstract Rociletinib is a third-generation EGFR inhibitor active in lung cancers with T790M, the gatekeeper mutation underlying most first-generation EGFR drug resistance. We biopsied patients at rociletinib progression to explore resistance mechanisms. Among 12 patients with T790M-positive cancers at rociletinib initiation, six had T790–wild-type rociletinib-resistant biopsies. Two T790–wild-type cancers underwent small cell lung cancer transformation; three T790M-positive cancers acquired EGFR amplification. We documented T790–wild-type and T790M-positive clones coexisting within a single pre-rociletinib biopsy. The pretreatment fraction of T790M-positive cells affected response to rociletinib. Longitudinal circulating tumor DNA (ctDNA) analysis revealed an increase in plasma EGFR-activating mutation, and T790M heralded rociletinib resistance in some patients, whereas in others the activating mutation increased but T790M remained suppressed. Together, these findings demonstrate the role of tumor heterogeneity when therapies targeting a singular resistance mechanism are used. To further improve outcomes, combination regimens that also target T790–wild-type clones are required. Significance: This report documents that half of T790M-positive EGFR-mutant lung cancers treated with rociletinib are T790–wild-type upon progression, suggesting that T790–wild-type clones can emerge as the dominant source of resistance. We show that tumor heterogeneity has important clinical implications and that plasma ctDNA analyses can sometimes predict emerging resistance mechanisms. Cancer Discov; 5(7); 713–22. ©2015 AACR. See related commentary by Ichihara and Lovly, p. 694. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 681

Abstract We present a cohort of 41 patients with osimertinib resistance biopsies, including 2 with an acquired CCDC6–RET fusion. Although RET fusions have been identified in resistant EGFR-mutant non–small cell lung cancer (NSCLC), their role in acquired resistance to EGFR inhibitors is not well described. To assess the biological implications of RET fusions in an EGFR-mutant cancer, we expressed CCDC6–RET in PC9 (EGFR del19) and MGH134 (EGFR L858R/T790M) cells and found that CCDC6–RET was sufficient to confer resistance to EGFR tyrosine kinase inhibitors (TKI). The selective RET inhibitors BLU-667 and cabozantinib resensitized CCDC6–RET-expressing cells to EGFR inhibition. Finally, we treated 2 patients with EGFR-mutant NSCLC and RET-mediated resistance with osimertinib and BLU-667. The combination was well tolerated and led to rapid radiographic response in both patients. This study provides proof of concept that RET fusions can mediate acquired resistance to EGFR TKIs and that combined EGFR and RET inhibition with osimertinib/BLU-667 may be a well-tolerated and effective treatment strategy for such patients. Significance: The role of RET fusions in resistant EGFR-mutant cancers is unknown. We report that RET fusions mediate resistance to EGFR inhibitors and demonstrate that this bypass track can be effectively targeted with a selective RET inhibitor (BLU-667) in the clinic. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1494

Summary

 KRAS is the most commonly mutated oncogene, yet no effective targeted therapies exist for KRAS mutant cancers. We developed a pooled shRNA-drug screen strategy to identify genes that, when inhibited, cooperate with MEK inhibitors to effectively treat KRAS mutant cancer cells. The anti-apoptotic BH3 family gene BCL-XL emerged as a top hit through this approach. ABT-263 (navitoclax), a chemical inhibitor that blocks the ability of BCL-XL to bind and inhibit pro-apoptotic proteins, in combination with a MEK inhibitor led to dramatic apoptosis in many KRAS mutant cell lines from different tissue types. This combination caused marked in vivo tumor regressions in KRAS mutant xenografts and in a genetically engineered KRAS-driven lung cancer mouse model, supporting combined BCL-XL/MEK inhibition as a potential therapeutic approach for KRAS mutant cancers.

Non-genetic mechanisms have recently emerged as important drivers of cancer therapy failure1, where some cancer cells can enter a reversible drug-tolerant persister state in response to treatment2. Although most cancer persisters remain arrested in the presence of the drug, a rare subset can re-enter the cell cycle under constitutive drug treatment. Little is known about the non-genetic mechanisms that enable cancer persisters to maintain proliferative capacity in the presence of drugs. To study this rare, transiently resistant, proliferative persister population, we developed Watermelon, a high-complexity expressed barcode lentiviral library for simultaneous tracing of each cell's clonal origin and proliferative and transcriptional states. Here we show that cycling and non-cycling persisters arise from different cell lineages with distinct transcriptional and metabolic programs. Upregulation of antioxidant gene programs and a metabolic shift to fatty acid oxidation are associated with persister proliferative capacity across multiple cancer types. Impeding oxidative stress or metabolic reprogramming alters the fraction of cycling persisters. In human tumours, programs associated with cycling persisters are induced in minimal residual disease in response to multiple targeted therapies. The Watermelon system enabled the identification of rare persister lineages that are preferentially poised to proliferate under drug pressure, thus exposing new vulnerabilities that can be targeted to delay or even prevent disease recurrence.

Mutant-selective KRASG12C inhibitors, such as MRTX849 (adagrasib) and AMG 510 (sotorasib), have demonstrated efficacy in KRASG12C-mutant cancers, including non-small cell lung cancer (NSCLC). However, mechanisms underlying clinical acquired resistance to KRASG12C inhibitors remain undetermined. To begin to define the mechanistic spectrum of acquired resistance, we describe a patient with KRASG12C NSCLC who developed polyclonal acquired resistance to MRTX849 with the emergence of 10 heterogeneous resistance alterations in serial cell-free DNA spanning four genes (KRAS, NRAS, BRAF, MAP2K1), all of which converge to reactivate RAS-MAPK signaling. Notably, a novel KRASY96D mutation affecting the switch-II pocket, to which MRTX849 and other inactive-state inhibitors bind, was identified that interferes with key protein-drug interactions and confers resistance to these inhibitors in engineered and patient-derived KRASG12C cancer models. Interestingly, a novel, functionally distinct tricomplex KRASG12C active-state inhibitor RM-018 retained the ability to bind and inhibit KRASG12C/Y96D and could overcome resistance. SIGNIFICANCE: In one of the first reports of clinical acquired resistance to KRASG12C inhibitors, our data suggest polyclonal RAS-MAPK reactivation as a central resistance mechanism. We also identify a novel KRAS switch-II pocket mutation that impairs binding and drives resistance to inactive-state inhibitors but is surmountable by a functionally distinct KRASG12C inhibitor.See related commentary by Pinnelli and Trusolino, p. 1874.This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1861.

Purpose Advanced anaplastic lymphoma kinase ( ALK) fusion-positive non–small-cell lung cancers (NSCLCs) are effectively treated with ALK tyrosine kinase inhibitors (TKIs). However, clinical outcomes in these patients vary, and the benefit of TKIs is limited as a result of acquired resistance. Emerging data suggest that the ALK fusion variant may affect clinical outcome, but the molecular basis for this association is unknown. Patients and Methods We identified 129 patients with ALK-positive NSCLC with known ALK variants. ALK resistance mutations and clinical outcomes on ALK TKIs were retrospectively evaluated according to ALK variant. A Foundation Medicine data set of 577 patients with ALK-positive NSCLC was also examined. Results The most frequent ALK variants were EML4-ALK variant 1 in 55 patients (43%) and variant 3 in 51 patients (40%). We analyzed 77 tumor biopsy specimens from patients with variants 1 and 3 who had progressed on an ALK TKI. ALK resistance mutations were significantly more common in variant 3 than in variant 1 (57% v 30%; P = .023). In particular, ALK G1202R was more common in variant 3 than in variant 1 (32% v 0%; P < .001). Analysis of the Foundation Medicine database revealed similar associations of variant 3 with ALK resistance mutation and with G1202R ( P = .010 and .015, respectively). Among patients treated with the third-generation ALK TKI lorlatinib, variant 3 was associated with a significantly longer progression-free survival than variant 1 (hazard ratio, 0.31; 95% CI, 0.12 to 0.79; P = .011). Conclusion Specific ALK variants may be associated with the development of ALK resistance mutations, particularly G1202R, and provide a molecular link between variant and clinical outcome. ALK variant thus represents a potentially important factor in the selection of next-generation ALK inhibitors.

Abstract The cornerstone of treatment for advanced ALK-positive lung cancer is sequential therapy with increasingly potent and selective ALK inhibitors. The third-generation ALK inhibitor lorlatinib has demonstrated clinical activity in patients who failed previous ALK inhibitors. To define the spectrum of ALK mutations that confer lorlatinib resistance, we performed accelerated mutagenesis screening of Ba/F3 cells expressing EML4–ALK. Under comparable conditions, N-ethyl-N-nitrosourea (ENU) mutagenesis generated numerous crizotinib-resistant but no lorlatinib-resistant clones harboring single ALK mutations. In similar screens with EML4–ALK containing single ALK resistance mutations, numerous lorlatinib-resistant clones emerged harboring compound ALK mutations. To determine the clinical relevance of these mutations, we analyzed repeat biopsies from lorlatinib-resistant patients. Seven of 20 samples (35%) harbored compound ALK mutations, including two identified in the ENU screen. Whole-exome sequencing in three cases confirmed the stepwise accumulation of ALK mutations during sequential treatment. These results suggest that sequential ALK inhibitors can foster the emergence of compound ALK mutations, identification of which is critical to informing drug design and developing effective therapeutic strategies. Significance: Treatment with sequential first-, second-, and third-generation ALK inhibitors can select for compound ALK mutations that confer high-level resistance to ALK-targeted therapies. A more efficacious long-term strategy may be up-front treatment with a third-generation ALK inhibitor to prevent the emergence of on-target resistance. Cancer Discov; 8(6); 714–29. ©2018 AACR. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 663