The development of noninvasive methods to detect and monitor tumors continues to be a major challenge in oncology. We used digital polymerase chain reaction-based technologies to evaluate the ability of circulating tumor DNA (ctDNA) to detect tumors in 640 patients with various cancer types. We found that ctDNA was detectable in >75% of patients with advanced pancreatic, ovarian, colorectal, bladder, gastroesophageal, breast, melanoma, hepatocellular, and head and neck cancers, but in less than 50% of primary brain, renal, prostate, or thyroid cancers. In patients with localized tumors, ctDNA was detected in 73, 57, 48, and 50% of patients with colorectal cancer, gastroesophageal cancer, pancreatic cancer, and breast adenocarcinoma, respectively. ctDNA was often present in patients without detectable circulating tumor cells, suggesting that these two biomarkers are distinct entities. In a separate panel of 206 patients with metastatic colorectal cancers, we showed that the sensitivity of ctDNA for detection of clinically relevant KRAS gene mutations was 87.2% and its specificity was 99.2%. Finally, we assessed whether ctDNA could provide clues into the mechanisms underlying resistance to epidermal growth factor receptor blockade in 24 patients who objectively responded to therapy but subsequently relapsed. Twenty-three (96%) of these patients developed one or more mutations in genes involved in the mitogen-activated protein kinase pathway. Together, these data suggest that ctDNA is a broadly applicable, sensitive, and specific biomarker that can be used for a variety of clinical and research purposes in patients with multiple different types of cancer.

This work on colorectal cancer shows that secondary mutations in KRAS that confer resistance to panitumumab, an anti-EGFR monoclonal antibody, are already present when antibody treatment begins; the apparent inevitability of resistance suggests that combinations of drugs targeting at least two different oncogenic pathway will be needed for treatment. Antibodies targeting epidermal growth factor receptor (EGFR) have become an established treatment for colorectal cancer, but they are contraindicated in patients carrying mutations in the KRAS oncogene. Drug resistance can also arise in initially responsive patients, and two papers in this issue of Nature present unequivocal evidence that mutations in KRAS underlie acquired resistance to anti-EGFR antibodies in many patients and that KRAS mutations can be detected in the serum of patients before the clinical emergence of resistance and relapse. Misale et al. show in cell-line models that KRAS mutations can confer resistance to cetuximab. And in colorectal cancer patients treated with cetuximab or panitumumab, resistance is associated with KRAS mutations selected from pre-existing subclones or acquired during treatment. Diaz et al. also find KRAS mutations accumulating in patients becoming resistant to panitumumab. Their mathematical models suggest that KRAS mutations pre-existed in tumour cells before therapy, which may explain why clinical recurrence is usually seen after about six months of treatment, by which time the resistant subpopulations of tumour cells with KRAS mutations has expanded. The apparent inevitability of resistance suggests that combinations of drugs targeting more than one oncogenic pathway will be needed if resistance is to be avoided. Colorectal tumours that are wild type for KRAS are often sensitive to EGFR blockade, but almost always develop resistance within several months of initiating therapy1,2. The mechanisms underlying this acquired resistance to anti-EGFR antibodies are largely unknown. This situation is in marked contrast to that of small-molecule targeted agents, such as inhibitors of ABL, EGFR, BRAF and MEK, in which mutations in the genes encoding the protein targets render the tumours resistant to the effects of the drugs3,4,5,6. The simplest hypothesis to account for the development of resistance to EGFR blockade is that rare cells with KRAS mutations pre-exist at low levels in tumours with ostensibly wild-type KRAS genes. Although this hypothesis would seem readily testable, there is no evidence in pre-clinical models to support it, nor is there data from patients. To test this hypothesis, we determined whether mutant KRAS DNA could be detected in the circulation of 28 patients receiving monotherapy with panitumumab, a therapeutic anti-EGFR antibody. We found that 9 out of 24 (38%) patients whose tumours were initially KRAS wild type developed detectable mutations in KRAS in their sera, three of which developed multiple different KRAS mutations. The appearance of these mutations was very consistent, generally occurring between 5 and 6 months following treatment. Mathematical modelling indicated that the mutations were present in expanded subclones before the initiation of panitumumab treatment. These results suggest that the emergence of KRAS mutations is a mediator of acquired resistance to EGFR blockade and that these mutations can be detected in a non-invasive manner. They explain why solid tumours develop resistance to targeted therapies in a highly reproducible fashion.

Detection of circulating tumor DNA in patients with resected stage II colon cancer provides evidence of residual disease.

The identification of mutations that are present in a small fraction of DNA templates is essential for progress in several areas of biomedical research. Although massively parallel sequencing instruments are in principle well suited to this task, the error rates in such instruments are generally too high to allow confident identification of rare variants. We here describe an approach that can substantially increase the sensitivity of massively parallel sequencing instruments for this purpose. The keys to this approach, called the Safe - Seq uencing S ystem (“Safe-SeqS”), are ( i ) assignment of a unique identifier (UID) to each template molecule, ( ii ) amplification of each uniquely tagged template molecule to create UID families, and ( iii ) redundant sequencing of the amplification products. PCR fragments with the same UID are considered mutant (“supermutants”) only if ≥95% of them contain the identical mutation. We illustrate the utility of this approach for determining the fidelity of a polymerase, the accuracy of oligonucleotides synthesized in vitro, and the prevalence of mutations in the nuclear and mitochondrial genomes of normal cells.

Massively parallel sequencing directly detects tumor-derived chromosomal alterations in plasma DNA from cancer patients.

Early indicators of treatment response in metastatic colorectal cancer (mCRC) could conceivably be used to optimize treatment. We explored early changes in circulating tumor DNA (ctDNA) levels as a marker of therapeutic efficacy.This prospective study involved 53 mCRC patients receiving standard first-line chemotherapy. Both ctDNA and CEA were assessed in plasma collected before treatment, 3 days after treatment and before cycle 2. Computed tomography (CT) scans were carried out at baseline and 8-10 weeks and were centrally assessed using RECIST v1.1 criteria. Tumors were sequenced using a panel of 15 genes frequently mutated in mCRC to identify candidate mutations for ctDNA analysis. For each patient, one tumor mutation was selected to assess the presence and the level of ctDNA in plasma samples using a digital genomic assay termed Safe-SeqS.Candidate mutations for ctDNA analysis were identified in 52 (98.1%) of the tumors. These patient-specific candidate tissue mutations were detectable in the cell-free DNA from the plasma of 48 of these 52 patients (concordance 92.3%). Significant reductions in ctDNA (median 5.7-fold; P < 0.001) levels were observed before cycle 2, which correlated with CT responses at 8-10 weeks (odds ratio = 5.25 with a 10-fold ctDNA reduction; P = 0.016). Major reductions (≥10-fold) versus lesser reductions in ctDNA precycle 2 were associated with a trend for increased progression-free survival (median 14.7 versus 8.1 months; HR = 1.87; P = 0.266).ctDNA is detectable in a high proportion of treatment naïve mCRC patients. Early changes in ctDNA during first-line chemotherapy predict the later radiologic response.

Rapid detection of specific aberrant rearrangements in tumors from individuals yields a well-poised technological advance toward personalized oncology.

BACKGROUND: The development of minimally-invasive methods to detect and monitor tumors continues to be a major challenge in oncology. We used digital PCR-based technologies to evaluate the ability of circulating tumor DNA (ctDNA) to detect tumors in 640 patients with various cancer types. In particular we studied the plasma of 14 medulloblastoma, 13 WHO grade 2-3 glioma and 14 WHO grade IV astrocytoma cases for levels of ctDNA. METHODS: The basis of our approach is to differentiate DNA shed by normal cells from DNA derived from tumor cells. In order to distinguish the two populations of cell-free DNA, we first identify a tumor-specific alteration. We then query for that exact mutation in matching plasma from the same patient to generate a personalized tumor biomarker. Only DNA derived from the tumor will harbor the genetic alteration. We initially use targeted, exomic, or whole genome sequencing to identify sequence or structural alterations in tumor tissues of 410 individuals. DNA was extracted from less than 5 ml of plasma in each case. The majority of plasma samples were queried for levels of ctDNA using a high fidelity next-generation sequencing approach coined Safe-SeqS. RESULTS: We found that at least one tumor-specific mutant molecule could be identified in <5 mL of plasma in >75% of patients with advanced ovarian, colorectal, bladder, gastroesophoageal, pancreatic, breast, melanoma, hepatocellular and head and neck cancers, but in less than 50% of primary brain, renal, prostate, or thyroid cancers. Approximately 40% of medulloblastoma and 10% of low or high grade glioma cases had detectable levels of ctDNA. In patients with localized non-CNS tumors, ctDNA was detected in 73%, 57%, 48% and 50% of patients with colorectal cancer, gastroesophageal cancer, pancreatic cancer, and breast adenocarcinoma, respectively. Finally, we assessed whether ctDNA could provide clues into the mechanisms underlying resistance to epidermal growth factor receptor (EGFR) blockade in 24 colorectal cancer patients who objectively responded to therapy but who subsequently relapsed. Twenty-three (96%) of these patients developed one or more mutations in genes involved in the mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway. CONCLUSIONS: Taken together, these data suggest that ctDNA is a sensitive, specific and robust biomarker that can be used for a variety of clinical and research purposes in patients with several multiple different types of cancer. For individuals with CNS neoplasms, alternate strategies may need to be developed in order to detect cell-free tumor derived DNA at levels that are clinically meaningful. ABSTRACT CATEGORY: Neuropathology & Tumor Biomarkers.

A real-time trial of a cancer blood test Cancers diagnosed early are often more responsive to treatment. Blood tests that detect molecular markers of cancer have successfully identified individuals already known to have the disease. Lennon et al. conducted an exploratory study that more closely reflects the way in which such blood tests would be used in the future. They evaluated the feasibility and safety of incorporating a multicancer blood test into the routine clinical care of 10,000 women with no history of cancer. Over a 12-month period, the blood test detected 26 cancers of different types. A combination of the blood test and positron emission tomography–computed tomography (PET-CT) imaging led to surgical removal of nine of these cancers. Use of the blood test did not result in a large number of futile follow-up procedures. Science , this issue p. eabb9601

Background & AimsThe management of pancreatic cysts poses challenges to both patients and their physicians. We investigated whether a combination of molecular markers and clinical information could improve the classification of pancreatic cysts and management of patients.MethodsWe performed a multi-center, retrospective study of 130 patients with resected pancreatic cystic neoplasms (12 serous cystadenomas, 10 solid pseudopapillary neoplasms, 12 mucinous cystic neoplasms, and 96 intraductal papillary mucinous neoplasms). Cyst fluid was analyzed to identify subtle mutations in genes known to be mutated in pancreatic cysts (BRAF, CDKN2A, CTNNB1, GNAS, KRAS, NRAS, PIK3CA, RNF43, SMAD4, TP53, and VHL); to identify loss of heterozygozity at CDKN2A, RNF43, SMAD4, TP53, and VHL tumor suppressor loci; and to identify aneuploidy. The analyses were performed using specialized technologies for implementing and interpreting massively parallel sequencing data acquisition. An algorithm was used to select markers that could classify cyst type and grade. The accuracy of the molecular markers was compared with that of clinical markers and a combination of molecular and clinical markers.ResultsWe identified molecular markers and clinical features that classified cyst type with 90%−100% sensitivity and 92%−98% specificity. The molecular marker panel correctly identified 67 of the 74 patients who did not require surgery and could, therefore, reduce the number of unnecessary operations by 91%.ConclusionsWe identified a panel of molecular markers and clinical features that show promise for the accurate classification of cystic neoplasms of the pancreas and identification of cysts that require surgery. The management of pancreatic cysts poses challenges to both patients and their physicians. We investigated whether a combination of molecular markers and clinical information could improve the classification of pancreatic cysts and management of patients. We performed a multi-center, retrospective study of 130 patients with resected pancreatic cystic neoplasms (12 serous cystadenomas, 10 solid pseudopapillary neoplasms, 12 mucinous cystic neoplasms, and 96 intraductal papillary mucinous neoplasms). Cyst fluid was analyzed to identify subtle mutations in genes known to be mutated in pancreatic cysts (BRAF, CDKN2A, CTNNB1, GNAS, KRAS, NRAS, PIK3CA, RNF43, SMAD4, TP53, and VHL); to identify loss of heterozygozity at CDKN2A, RNF43, SMAD4, TP53, and VHL tumor suppressor loci; and to identify aneuploidy. The analyses were performed using specialized technologies for implementing and interpreting massively parallel sequencing data acquisition. An algorithm was used to select markers that could classify cyst type and grade. The accuracy of the molecular markers was compared with that of clinical markers and a combination of molecular and clinical markers. We identified molecular markers and clinical features that classified cyst type with 90%−100% sensitivity and 92%−98% specificity. The molecular marker panel correctly identified 67 of the 74 patients who did not require surgery and could, therefore, reduce the number of unnecessary operations by 91%. We identified a panel of molecular markers and clinical features that show promise for the accurate classification of cystic neoplasms of the pancreas and identification of cysts that require surgery.