Toward development of a precision medicine framework for metastatic, castration-resistant prostate cancer (mCRPC), we established a multi-institutional clinical sequencing infrastructure to conduct prospective whole-exome and transcriptome sequencing of bone or soft tissue tumor biopsies from a cohort of 150 mCRPC affected individuals. Aberrations of AR, ETS genes, TP53, and PTEN were frequent (40%–60% of cases), with TP53 and AR alterations enriched in mCRPC compared to primary prostate cancer. We identified new genomic alterations in PIK3CA/B, R-spondin, BRAF/RAF1, APC, β-catenin, and ZBTB16/PLZF. Moreover, aberrations of BRCA2, BRCA1, and ATM were observed at substantially higher frequencies (19.3% overall) compared to those in primary prostate cancers. 89% of affected individuals harbored a clinically actionable aberration, including 62.7% with aberrations in AR, 65% in other cancer-related genes, and 8% with actionable pathogenic germline alterations. This cohort study provides clinically actionable information that could impact treatment decisions for these affected individuals.

Abiraterone acetate, an androgen biosynthesis inhibitor, improves overall survival in patients with metastatic castration-resistant prostate cancer after chemotherapy. We evaluated this agent in patients who had not received previous chemotherapy.

Highlights•Generation of prostate cancer organoids from metastasis and circulating tumor cells•Organoids retain the histological and molecular features of the patient specimen•Organoids recapitulate the diversity of castration-resistant prostate cancer•Organoid lines can be used for drug studies in vitro and as xenografts in vivoSummaryThe lack of in vitro prostate cancer models that recapitulate the diversity of human prostate cancer has hampered progress in understanding disease pathogenesis and therapy response. Using a 3D organoid system, we report success in long-term culture of prostate cancer from biopsy specimens and circulating tumor cells. The first seven fully characterized organoid lines recapitulate the molecular diversity of prostate cancer subtypes, including TMPRSS2-ERG fusion, SPOP mutation, SPINK1 overexpression, and CHD1 loss. Whole-exome sequencing shows a low mutational burden, consistent with genomics studies, but with mutations in FOXA1 and PIK3R1, as well as in DNA repair and chromatin modifier pathways that have been reported in advanced disease. Loss of p53 and RB tumor suppressor pathway function are the most common feature shared across the organoid lines. The methodology described here should enable the generation of a large repertoire of patient-derived prostate cancer lines amenable to genetic and pharmacologic studies.Graphical abstract

Purpose Evolving treatments, disease phenotypes, and biology, together with a changing drug development environment, have created the need to revise castration-resistant prostate cancer (CRPC) clinical trial recommendations to succeed those from prior Prostate Cancer Clinical Trials Working Groups. Methods An international expert committee of prostate cancer clinical investigators (the Prostate Cancer Clinical Trials Working Group 3 [PCWG3]) was reconvened and expanded and met in 2012-2015 to formulate updated criteria on the basis of emerging trial data and validation studies of the Prostate Cancer Clinical Trials Working Group 2 recommendations. Results PCWG3 recommends that baseline patient assessment include tumor histology, detailed records of prior systemic treatments and responses, and a detailed reporting of disease subtypes based on an anatomic pattern of metastatic spread. New recommendations for trial outcome measures include the time to event end point of symptomatic skeletal events, as well as time to first metastasis and time to progression for trials in the nonmetastatic CRPC state. PCWG3 introduces the concept of no longer clinically benefiting to underscore the distinction between first evidence of progression and the clinical need to terminate or change treatment, and the importance of documenting progression in existing lesions as distinct from the development of new lesions. Serial biologic profiling using tumor samples from biopsies, blood-based diagnostics, and/or imaging is also recommended to gain insight into mechanisms of resistance and to identify predictive biomarkers of sensitivity for use in prospective trials. Conclusion PCWG3 moves drug development closer to unmet needs in clinical practice by focusing on disease manifestations most likely to affect prognosis adversely for therapeutics tested in both nonmetastatic and metastatic CRPC populations. Consultation with regulatory authorities is recommended if a trial is intended to seek support for drug approval.

MDV3100 is an androgen-receptor antagonist that blocks androgens from binding to the androgen receptor and prevents nuclear translocation and co-activator recruitment of the ligand-receptor complex. It also induces tumour cell apoptosis, and has no agonist activity. Because growth of castration-resistant prostate cancer is dependent on continued androgen-receptor signalling, we assessed the antitumour activity and safety of MDV3100 in men with this disease.This phase 1-2 study was undertaken in five US centres in 140 patients. Patients with progressive, metastatic, castration-resistant prostate cancer were enrolled in dose-escalation cohorts of three to six patients and given an oral daily starting dose of MDV3100 30 mg. The final daily doses studied were 30 mg (n=3), 60 mg (27), 150 mg (28), 240 mg (29), 360 mg (28), 480 mg (22), and 600 mg (3). The primary objective was to identify the safety and tolerability profile of MDV3100 and to establish the maximum tolerated dose. The trial is registered with ClinicalTrials.gov, number NCT00510718.We noted antitumour effects at all doses, including decreases in serum prostate-specific antigen of 50% or more in 78 (56%) patients, responses in soft tissue in 13 (22%) of 59 patients, stabilised bone disease in 61 (56%) of 109 patients, and conversion from unfavourable to favourable circulating tumour cell counts in 25 (49%) of the 51 patients. PET imaging of 22 patients to assess androgen-receptor blockade showed decreased (18)F-fluoro-5alpha-dihydrotestosterone binding at doses from 60 mg to 480 mg per day (range 20-100%). The median time to progression was 47 weeks (95% CI 34-not reached) for radiological progression. The maximum tolerated dose for sustained treatment (>28 days) was 240 mg. The most common grade 3-4 adverse event was dose-dependent fatigue (16 [11%] patients), which generally resolved after dose reduction.We recorded encouraging antitumour activity with MDV3100 in patients with castration-resistant prostate cancer. The results of this phase 1-2 trial validate in man preclinical studies implicating sustained androgen-receptor signalling as a driver in this disease.Medivation, the Prostate Cancer Foundation, National Cancer Institute, the Howard Hughes Medical Institute, Doris Duke Charitable Foundation, and Department of Defense Prostate Cancer Clinical Trials Consortium.

The anti-programmed cell death protein 1 (PD-1) antibody pembrolizumab is approved by the US Food and Drug Administration for the treatment of microsatellite instability-high (MSI-H) or mismatch repair-deficient (dMMR) solid tumors, but the prevalence of MSI-H/dMMR prostate cancer and the clinical utility of immune checkpoint blockade in this disease subset are unknown.To define the prevalence of MSI-H/dMMR prostate cancer and the clinical benefit of anti-PD-1/programmed cell death 1 ligand 1 (PD-L1) therapy in this molecularly defined population.In this case series, 1551 tumors from 1346 patients with prostate cancer undergoing treatment at Memorial Sloan Kettering Cancer Center were prospectively analyzed using a targeted sequencing assay from January 1, 2015, through January 31, 2018. Patients had a diagnosis of prostate cancer and consented to tumor molecular profiling when a tumor biopsy was planned or archival tissue was available. For each patient, clinical outcomes were reported, with follow-up until May 31, 2018.Tumor mutation burden and MSIsensor score, a quantitative measure of MSI, were calculated. Mutational signature analysis and immunohistochemistry for MMR protein expression were performed in select cases.Among the 1033 patients who had adequate tumor quality for MSIsensor analysis (mean [SD] age, 65.6 [9.3] years), 32 (3.1%) had MSI-H/dMMR prostate cancer. Twenty-three of 1033 patients (2.2%) had tumors with high MSIsensor scores, and an additional 9 had indeterminate scores with evidence of dMMR. Seven of the 32 MSI-H/dMMR patients (21.9%) had a pathogenic germline mutation in a Lynch syndrome-associated gene. Six patients had more than 1 tumor analyzed, 2 of whom displayed an acquired MSI-H phenotype later in their disease course. Eleven patients with MSI-H/dMMR castration-resistant prostate cancer received anti-PD-1/PD-L1 therapy. Six of these (54.5%) had a greater than 50% decline in prostate-specific antigen levels, 4 of whom had radiographic responses. As of May 2018, 5 of the 6 responders (5 of 11 total [45.5%]) were still on therapy for as long as 89 weeks.The MSI-H/dMMR molecular phenotype is uncommon yet therapeutically meaningful in prostate cancer and can be somatically acquired during disease evolution. Given the potential for durable responses to anti-PD-1/PD-L1 therapy, these findings support the use of prospective tumor sequencing to screen all patients with advanced prostate cancer for MSI-H/dMMR. Because not all patients with the MSI-H/dMMR phenotype respond, further studies should explore mechanisms of resistance.

Purpose A long natural history and a predominant osseous pattern of metastatic spread are impediments to the adoption of precision medicine in patients with prostate cancer. To establish the feasibility of clinical genomic profiling in this disease, we performed targeted deep sequencing of tumor and normal DNA from patients with locoregional, metastatic noncastrate, and metastatic castration-resistant prostate cancer. Patients and Methods Patients consented to genomic analysis of their tumor and germline DNA. A hybridization capture-based clinical assay was used to identify single-nucleotide variations, small insertions and deletions, copy number alterations, and structural rearrangements in more than 300 cancer-related genes in tumors and matched normal blood. Results We successfully sequenced 504 tumors from 451 patients with prostate cancer. Potentially actionable alterations were identified in DNA damage repair, phosphatidylinositol 3-kinase, and mitogen-activated protein kinase pathways. Twenty-seven percent of patients harbored a germline or a somatic alteration in a DNA damage repair gene that may predict for response to poly (ADP-ribose) polymerase inhibition. Profiling of matched tumors from individual patients revealed that somatic TP53 and BRCA2 alterations arose early in tumors from patients who eventually developed metastatic disease. In contrast, comparative analysis across disease states revealed that APC alterations were enriched in metastatic tumors, whereas ATM alterations were specifically enriched in castration-resistant prostate cancer. Conclusion Through genomic profiling of prostate tumors that represent the disease clinical spectrum, we identified a high frequency of potentially actionable alterations and possible drivers of disease initiation, metastasis, and castration resistance. Our findings support the routine use of tumor and germline DNA profiling for patients with advanced prostate cancer for the purpose of guiding enrollment in targeted clinical trials and counseling families at increased risk of malignancy.

Abstract Lineage plasticity is a well–established mechanism of resistance to targeted therapies in lung and prostate cancer, where tumors transition from adenocarcinoma to small–cell or neuroendocrine carcinoma. Through single–cell analysis of a cohort of heavily–treated castration–resistant human prostate cancers (CRPC), we report a greater degree of plasticity than previously appreciated, with multiple distinct neuroendocrine (NEPC), mesenchymal (EMT–like), and other subpopulations detected within single biopsies. To explore the steps leading to this plasticity, we turned to two genetically engineered mouse models of prostate cancer that recapitulate progression from adenocarcinoma to neuroendocrine disease. Time course studies reveal expansion of stem–like luminal epithelial cells ( Sca1 +, Psca +, called L2) that, based on trajectories, gave rise to at least 4 distinct subpopulations, NEPC ( Ascl1 +), POU2F3 ( Pou2f3 +), TFF3 ( Tff3 +) and EMT–like ( Vim +, Ncam1 +)––these populations are also seen in human prostate and small cell lung cancers. Transformed L2–like cells express stem–like and gastrointestinal endoderm–like transcriptional programs, indicative of reemerging developmental plasticity programs, as well as elevated Jak/Stat and interferon pathway signaling. In sum, while the magnitude of multilineage heterogeneity, both within and across patients, raises considerable treatment challenges, the identification of highly plastic luminal cells as the likely source of this heterogeneity provides a target for more focused therapeutic intervention. One Sentence Summary Multilineage plasticity results from expansion of stem–like luminal cells with JAK/STAT activation, serving as a therapeutic target.

Targeting cell surface molecules using radioligand and antibody-based therapies has yielded considerable success across cancers. However, it remains unclear how the expression of putative lineage markers, particularly cell surface molecules, varies in the process of lineage plasticity, wherein tumor cells alter their identity and acquire new oncogenic properties. A notable example of lineage plasticity is the transformation of prostate adenocarcinoma (PRAD) to neuroendocrine prostate cancer (NEPC)—a growing resistance mechanism that results in the loss of responsiveness to androgen blockade and portends dismal patient survival. To understand how lineage markers vary across the evolution of lineage plasticity in prostate cancer, we applied single-cell analyses to 21 human prostate tumor biopsies and two genetically engineered mouse models, together with tissue microarray analysis on 131 tumor samples. Not only did we observe a higher degree of phenotypic heterogeneity in castrate-resistant PRAD and NEPC than previously anticipated but also found that the expression of molecules targeted therapeutically, namely PSMA , STEAP1 , STEAP2 , TROP2, CEACAM5 , and DLL3 , varied within a subset of gene-regulatory networks (GRNs). We also noted that NEPC and small cell lung cancer subtypes shared a set of GRNs, indicative of conserved biologic pathways that may be exploited therapeutically across tumor types. While this extreme level of transcriptional heterogeneity, particularly in cell surface marker expression, may mitigate the durability of clinical responses to current and future antigen-directed therapies, its delineation may yield signatures for patient selection in clinical trials, potentially across distinct cancer types.

Targeting cell surface molecules using radioligand and antibody-based therapies has yielded considerable success across cancers. However, it remains unclear how the expression of putative lineage markers, particularly cell surface molecules, varies in the process of lineage plasticity, wherein tumor cells alter their identity and acquire new oncogenic properties. A notable example of lineage plasticity is the transformation of prostate adenocarcinoma (PRAD) to neuroendocrine prostate cancer (NEPC)--a growing resistance mechanism that results in the loss of responsiveness to androgen blockade and portends dismal patient survival. To understand how lineage markers vary across the evolution of lineage plasticity in prostate cancer, we applied single cell analyses to 21 human prostate tumor biopsies and two genetically engineered mouse models, together with tissue microarray analysis (TMA) on 131 tumor samples. Not only did we observe a higher degree of phenotypic heterogeneity in castrate-resistant PRAD and NEPC than previously anticipated, but also found that the expression of molecules targeted therapeutically, namely