Cancer organoids to model therapy response Cancer organoids are miniature, three-dimensional cell culture models that can be made from primary patient tumors and studied in the laboratory. Vlachogiannis et al. asked whether such “tumor-in-a-dish” approaches can be used to predict drug responses in the clinic. They generated a live organoid biobank from patients with metastatic gastrointestinal cancer who had previously been enrolled in phase I or II clinical trials. This allowed the authors to compare organoid drug responses with how the patient actually responded in the clinic. Encouragingly, the organoids had similar molecular profiles to those of the patient tumor, reinforcing their value as a platform for drug screening and development. Science , this issue p. 920

Abstract Mismatch repair deficient colorectal cancers have high mutation loads and many respond to immune checkpoint-inhibitors. We investigated how genetic and immune landscapes co-evolve in these tumors. All cases had high truncal mutation loads. Driver aberrations showed a clear hierarchy despite pervasive intratumor heterogeneity: Those in WNT/βCatenin, mitogen-activated protein kinase and TGFβ receptor family genes were almost always truncal. Immune evasion drivers were predominantly subclonal and showed parallel evolution. Pan-tumor evolution, subclonal evolution, and evolutionary stasis of genetic immune evasion drivers defined three MMRd CRC subtypes with distinct T-cell infiltrates. These immune evasion drivers have been implicated in checkpoint-inhibitor resistance. Clonality and subtype assessments are hence critical for predictive immunotherapy biomarker development. Cancer cell PD-L1 expression was conditional on loss of the intestinal homeobox transcription factor CDX2. This explains infrequent PD-L1 expression by cancer cells and likely contributes to the high recurrence risk of MMRd CRCs with impaired CDX2 expression.

Absence of post-operative circulating tumour DNA (ctDNA) identifies resected colorectal cancer (CRC) patients with low recurrence risk for adjuvant chemotherapy (ACT) de-escalation. We present the largest resected CRC cohort to date with tissue-free minimal residual disease (MRD) detection.

Minimally invasive circulating free DNA (cfDNA) analysis can portray cancer genome landscapes but highly sensitive and specific genetic approaches are necessary to accurately detect mutations with often low variant frequencies. We developed a targeted cfDNA sequencing technology using novel off-the-shelf molecular barcodes for error correction, in combination with custom solution hybrid capture enrichment. Modelling based on cfDNA yields from 58 patients shows that our assay, which requires 25ng of cfDNA input, should be applicable to >95% of patients with metastatic colorectal cancer. Sequencing of a 163.3 kb target region including 32 genes detected 100% of single nucleotide variants with 0.15% variant frequency in cfDNA spike-in experiments. Molecular barcode error correction reduced false positive mutation calls by 98.6%. In a series of 28 patients with metastatic colorectal cancers, 80 out of 91 (88%) mutations previously detected by tumour tissue sequencing were called in the cfDNA. Call rates were similar for single nucleotide variants and small insertions/deletions. Mutations only called in cfDNA but not detectable in matched tumour tissue included, among others, a subclonal resistance driver mutation to anti-EGFR antibodies in the KRAS gene, multiple activating PIK3CA mutations in each of two patients (indicative of parallel evolution), and TP53 mutations originating from clonal haematopoiesis. Furthermore, we demonstrate that cfDNA off-target read analysis allows the reconstruction of genome wide copy number aberration profiles from 71% of these 28 cases. This error-corrected ultra-deep cfDNA sequencing assay with a target region that can be readily customized enables broad insights into cancer genomes and evolution.

Abstract Background Among women with breast cancer who undergo breast-conserving surgery (BCS), 20% to 25% require further surgery because of close or involved margins. Improved techniques are needed to assess resection margins. Purpose The study aims were to assess the feasibility of the combined techniques of Cerenkov luminescence imaging–flexible autoradiography (CLI-FAR) to assess excision specimen margins in women undergoing BCS and to determine the diagnostic performance of intraoperative CLI-FAR imaging with postoperative histopathology as the reference standard. Materials and Methods Women undergoing BCS were recruited prospectively at a single center over 13 months. Patients were injected with 250 MBq ± 10 MBq of 18F-fluorodeoxyglucose, 145 minutes before surgery; the excised specimens were imaged intraoperatively. The surgically excised tumor was initially imaged using conventional x-ray, and margins suspected to be involved by tumor were then imaged using CLI-FAR. CLI-FAR imaging was performed using the LightPath system (Lightpoint), an in vitro diagnostic device designed to identify and locate positron-emitting radionuclides. Any suspicious margin underwent an immediate reexcision in the form of cavity shavings. Sensitivity, specificity, and positive and negative predictive values while considering histopathological assessment as the golden standard were used to assess the performance of CLI-FAR. Results In all, 54 specimens were imaged in 52 patients, with a total of 104 margins reviewed using CLI-FAR. The results showed a specificity of 97.8% (89/91; 95% confidence interval [CI], 95.0-100.6), sensitivity of 76.9% (10/13; 95% CI, 68.3-85.0), positive predictive value of 83.3% (10/12; 95% CI, 76.2-90.5), and negative predictive value of 96.7% (89/92; 95% CI, 93.3-100.2). In all, 8 patients had 10 positive margins on CLI-FAR imaging and were treated accordingly. CLI-FAR imaging reduced the reexcision rate by 69% (17.3/25). Conclusion CLI-FAR imaging is a promising technique for intraoperative margin assessment in women undergoing BCS for invasive breast cancer.

Previously, we classified colorectal cancers (CRCs) into five CRCA subtypes with different prognoses and potential treatment responses, using a 786-gene signature. We merged our subtypes and those described by five other groups into four consensus molecular subtypes (CMS) that are similar to CRCA subtypes. Here we demonstrate the analytical development and application of a custom NanoString platform-based biomarker assay to stratify CRC into subtypes. To reduce costs, we switched from the standard protocol to a custom modified protocol (NanoCRCA) with a high Pearson correlation coefficient (>0.88) between protocols. Technical replicates were highly correlated (>0.96). The assay included a reduced robust 38-gene panel from the 786-gene signature that was selected using an in-laboratory developed computational pipeline of class prediction methods. We applied our NanoCRCA assay to untreated CRCs including fresh-frozen and formalin-fixed paraffin-embedded (FFPE) samples (n=81) with matched microarray or RNA-Seq profiles. We further compared the assay results with CMS classification, different platforms (microarrays/RNA-Seq) and gene-set classifiers (38 and 786 genes). NanoCRCA classified fresh-frozen samples (n=39; not including those showing a mixture of subtypes) into all five CRCA subtypes with overall high concordance across platforms (89.7%) and with CMS subtypes (84.6%), independent of tumour cellularity. This analytical validation of the assay shows the association of subtypes with their known molecular, mutational and clinical characteristics. Overall, our modified NanoCRCA assay with further clinical assessment may facilitate prospective validation of CRC subtypes in clinical trials and beyond.

Anti-epidermal growth factor receptor (EGFR) antibodies (anti-EGFR-Ab) are effective in a subgroup of patients with metastatic colorectal cancer (CRC). We applied genomic and transcriptomic analyses to biopsies from 35 RAS wild-type CRCs treated with the anti-EGFR-Ab cetuximab in a prospective trial to interrogate the molecular resistance landscape. This validated transcriptomic CRC-subtypes as predictors of cetuximab benefit; identified novel associations of NF1-inactivation and non-canonical RAS/RAF-aberrations with primary progression; and of FGF10- and non-canonical BRAF-aberrations with AR. No genetic resistance drivers were detected in 64% of AR biopsies. The majority of these had switched from the cetuximab-sensitive CMS2-subtype pre-treatment to the fibroblast- and growth factor-rich CMS4-subtype at progression. Fibroblast supernatant conferred cetuximab resistance in vitro, together supporting subtype-switching as a novel mechanism of AR. Cytotoxic immune infiltrates and immune-checkpoint expression increased following cetuximab responses, potentially providing opportunities to treat CRCs with molecularly heterogeneous AR with immunotherapy.