A comprehensive molecular analysis of almost 1,000 pediatric subjects with acute myeloid leukemia (AML) uncovers widespread differences in pediatric AML as compared to adult AML, including a higher frequency of structural variants and different mutational patterns and epigenetic signatures. Future studies are needed to characterize the functional relevance of these alterations and to explore age-tailored therapies to improve disease control in younger patients. We present the molecular landscape of pediatric acute myeloid leukemia (AML) and characterize nearly 1,000 participants in Children's Oncology Group (COG) AML trials. The COG–National Cancer Institute (NCI) TARGET AML initiative assessed cases by whole-genome, targeted DNA, mRNA and microRNA sequencing and CpG methylation profiling. Validated DNA variants corresponded to diverse, infrequent mutations, with fewer than 40 genes mutated in >2% of cases. In contrast, somatic structural variants, including new gene fusions and focal deletions of MBNL1, ZEB2 and ELF1, were disproportionately prevalent in young individuals as compared to adults. Conversely, mutations in DNMT3A and TP53, which were common in adults, were conspicuously absent from virtually all pediatric cases. New mutations in GATA2, FLT3 and CBL and recurrent mutations in MYC-ITD, NRAS, KRAS and WT1 were frequent in pediatric AML. Deletions, mutations and promoter DNA hypermethylation convergently impacted Wnt signaling, Polycomb repression, innate immune cell interactions and a cluster of zinc finger–encoding genes associated with KMT2A rearrangements. These results highlight the need for and facilitate the development of age-tailored targeted therapies for the treatment of pediatric AML.

Abstract Background The Pediatric Preclinical Testing Program (PPTP) is an initiative supported by the National Cancer Institute (NCI) to identify novel therapeutic agents that may have significant activity against childhood cancers. The PPTP has established panels of childhood cancer xenografts and cell lines to be used for in vivo and in vitro testing. These include panels for Wilms tumor, sarcomas (rhabdomyosarcoma, Ewing sarcoma, and osteosarcoma), neuroblastoma, brain tumors (glioblastoma, ependymoma, and medulloblastoma), rhabdoid tumors (CNS and renal), and acute lymphoblastic leukemia (ALL). Here, we describe the characteristics of the in vivo tumor panels and report results for the in vivo evaluation of two standard agents, vincristine and cyclophosphamide. Procedures Solid tumors were grown subcutaneously in immune‐deficient mice and tumor dimensions were measured weekly. ALL xenografts were inoculated intravenously and human CD45‐positive cells were enumerated weekly. Results Vincristine‐induced objective responses in 6 of 24 (25%) and cyclophosphamide‐induced objective responses in 18 of 28 (64%) solid tumor models. Comparable assessments of high levels of activity for these two agents were obtained using a tumor growth delay (TGD) measure. Both agents induced regressions in each of the ALL models evaluated. Conclusions We have established 51 solid tumor and 10 ALL in vivo models. The models identify vincristine and cyclophosphamide as having broad‐spectrum activity. The PPTP tumor panels appear to generally recapitulate the activity of these agents against specific childhood cancers and to have the potential for identifying novel agents having significant clinical activity. Pediatr Blood Cancer 2007;49:928–940. Published 2006 Wiley‐Liss, Inc.

Accelerating cures for children with cancer remains an immediate challenge due to extensive oncogenic heterogeneity between and within histologies, distinct molecular mechanisms evolving between diagnosis and relapsed disease, and limited therapeutic options. To systematically prioritize and rationally test novel agents in preclinical murine models, researchers within the Pediatric Preclinical Testing Consortium are continuously developing patient-derived xenografts (PDXs) from high-risk childhood cancers, many refractory to current standard-of-care treatments. Here, we genomically characterize 261 PDX models from 29 unique pediatric cancer malignancies and demonstrate faithful recapitulation of histologies, subtypes, and refine our understanding of relapsed disease. Expression and mutational signatures are used to classify tumors for TP53 and NF1 inactivation, as well as impaired DNA repair. We anticipate that these data will serve as a resource for pediatric oncology drug development and guide rational clinical trial design for children with cancer.Highlights

Abstract In this study, we leveraged machine-learning tools by evaluating expression of genes of pharmacological relevance to standard-AML chemotherapy (ara-C/daunorubicin/etoposide) in a discovery-cohort of pediatric AML patients ( N = 163; NCT00136084 ) and defined a 5-gene-drug resistance score (ADE-RS5) that was predictive of outcome (high MRD1 positivity p = 0.013; lower EFS p < 0.0001 and OS p < 0.0001). ADE-RS5 was integrated with a previously defined leukemic-stemness signature (pLSC6) to classify patients into four groups. ADE-RS5, pLSC6 and integrated-score was evaluated for association with outcome in one of the largest assembly of ~3600 AML patients from 10 independent cohorts (1861 pediatric and 1773 adult AML). Patients with high ADE-RS5 had poor outcome in validation cohorts and the previously reported pLSC6 maintained strong significant association in all validation cohorts. For pLSC6/ADE-RS5-integrated-score analysis, using Group-1 (low-scores for ADE-RS5 and pLSC6) as reference, Group-4 (high-scores for ADE-RS5 and pLSC6) showed worst outcome (EFS: p < 0.0001 and OS: p < 0.0001). Groups-2/3 (one high and one low-score) showed intermediate outcome ( p < 0.001). Integrated score groups remained an independent predictor of outcome in multivariable-analysis after adjusting for established prognostic factors (EFS: Group 2 vs. 1, HR = 4.68, p < 0.001, Group 3 vs. 1, HR = 3.22, p = 0.01, and Group 4 vs. 1, HR = 7.26, p < 0.001). These results highlight the significant prognostic value of transcriptomics-based scores capturing disease aggressiveness through pLSC6 and drug resistance via ADE-RS5. The pLSC6 stemness score is a significant predictor of outcome and associates with high-risk group features, the ADE-RS5 drug resistance score adds further value, reflecting the clinical utility of simultaneous testing of both for optimizing treatment strategies.

Myeloid leukemia associated with Down syndrome (ML-DS) is a rare pediatric cancer. Current standard-of-care includes cytotoxic chemotherapy. 10-20% of patients develop relapsed leukemia or have refractory disease. These patients have a 3-year event-free survival less than 21%. Novel therapy options are needed to improve survival in these patients with relapsed or refractory disease. Our transcriptome analysis to identify transmembrane proteins that are overexpressed in ML-DS compared to normal bone marrow specimens revealed DLK1 as one of the topmost modulated targets. We show that DLK1 knockout in ML-DS cells significantly reduced proliferation in vitro and delayed engraftment in vivo. Furthermore, targeting DLK1 via antibody drug conjugates significantly prolonged survival compared to control isotype antibody drug conjugate in patient-derived xenograft models of refractory ML-DS. Taken together, targeting DLK1 may be a novel treatment option for refractory ML-DS patients.

We present the molecular landscape of pediatric acute myeloid leukemia (AML), characterizing nearly 1,000 participants in Childrens Oncology Group (COG) AML trials. The COG/NCI TARGET AML initiative assessed cases by whole-genome, targeted DNA, mRNA, miRNA sequencing and CpG methylation profiling. Validated DNA variants revealed diverse, infrequent mutations with fewer than 40 genes mutated in >2% of cases. In contrast, somatic structural variants, including novel gene fusions and focal MBNL1, ZEB2, and ELF1 deletions, were disproportionately prevalent in young as compared to adult patients. Conversely, DNMT3A and TP53 mutations, common in adults, are conspicuously absent from virtually all pediatric cases. Novel GATA2, FLT3, and CBL mutations, recurrent MYC-ITD, NRAS, KRAS, and WT1 mutations are frequent in pediatric AML. Deletions, mutations, and promoter DNA hypermethylation convergently impact Wnt signaling, Polycomb repression, innate immune cell interactions, and a cluster of zinc finger genes associated with KMT2A rearrangements. These results highlight the need for, and facilitate the development of, age-tailored targeted therapies for the treatment of pediatric AML.

Introduction Anthracyclines are effective in treating acute myeloid leukemia (AML) but limited by cardiotoxicity. CPX-351, a liposomal daunorubicin and cytarabine, may provide therapeutic benefit with less cardiotoxicity. Acute changes in left ventricular systolic function and cardiac biomarkers were evaluated after a cycle of CPX-351 in children with relapsed AML treated on the phase 1/2 Children's Oncology Group study, AAML1421. Methods Subjects received 135 units/m 2 /dose of CPX-351 on days 1, 3, and 5 as cycle 1. Echocardiograms were performed and centrally quantitated at baseline and at the end of cycle 1 (day 29 +/− 1 week). High sensitivity troponin (hs-cTnT) and N-terminal pro-B-type natriuretic peptide (NT-proBNP) were measured at baseline and serially through the end of cycle 1 (days 5, 8, 15, 22 and 29). Differences between baseline and post-CPX-351 echo/biomarker measures were analyzed using Wilcoxon signed rank tests. Linear regression was used to model post-CPX-351 left ventricular ejection fraction (LVEF) with cTnT/NT-proBNP at each time point, controlling for baseline LVEF. Cancer therapy related cardiac dysfunction (CTRCD) was defined as a decline in LVEF of ≥10%–&lt;50%. Results Twenty-five of 38 heavily anthracycline pre-treated (median 348 mg/m 2 daunorubicin equivalents) subjects enrolled on AAML1421 were included in the cardiac analyses. At baseline, centrally quantitated LVEF was &lt;50% in 8 of 25 subjects (32%) with a median LVEF of 53.8% [48.0, 56.9]. Following CPX-351, LVEF declined significantly (ΔLVEF −3.3% [−7.8, 0]) and 6 of 25 subjects (24%) experienced CTRCD. Amongst all subjects, hs-cTnT was modestly increased at end of cycle 1 compared to baseline [baseline hs-cTnT 7.2 (3, 10.6); ΔcTnT 1.80 (0, 6.1), p = 0.03]. NT-proBNP remained stably elevated without significant change. No significant associations were seen between NT-proBNP or cTnT levels and post-CPX-351 LVEF. Discussion In this single arm study of anthracycline pre-treated children exposed to CPX-351, baseline abnormalities in cardiovascular function were prevalent. Following CPX-351, LVEF decreased, cTnT increased, and NT-proBNP did not change. Longer follow-up is needed to determine whether these changes result in clinically meaningful long-term decrements in cardiac function. An ongoing randomized trial of CPX-351 compared to standard anthracyclines in anthracycline naïve patients will provide further insight into the cardiac effects of CPX-351 (ClinicalTrials.gov; NCT04293562).

Acute myeloid leukemias (AML) are characterized by mutations of tumor suppressor and oncogenes, involving distinct genes in adults and children. While certain mutations have been associated with the increased risk of AML relapse, the genomic landscape of primary chemotherapy resistant AML is not well defined. As part of the TARGET initiative, we performed whole-genome DNA and transcriptome (RNA and miRNA) sequencing analysis of pediatric AML with failure of induction chemotherapy. We identified at least three genetic groups of patients with induction failure, including those with NUP98 rearrangements, somatic mutations of WT1 in the absence of NUP98 mutations, and additional recurrent variants including those in KMT2C and MLLT10. Comparison of specimens before and after chemotherapy revealed distinct and invariant gene expression programs. While exhibiting overt therapy resistance, these leukemias nonetheless showed diverse forms of clonal evolution upon chemotherapy exposure. This included selection for mutant alleles of FRMD8, DHX32, PIK3R1, SHANK3, MKLN1, as well as persistence of WT1 and TP53 mutant clones, and elimination or contraction of FLT3, PTPN11, and NRAS mutant clones. These findings delineate genetic mechanisms of primary chemotherapy resistance in pediatric AML, which should inform improved approaches for its diagnosis and therapy.