Background: Remarkable advances for clinical diagnosis and treatment in cancers including lung cancer involve cell-free circulating tumor DNA (ctDNA) detection through next generation sequencing. However, before the sensitivity and specificity of ctDNA detection can be widely recognized, the consistency of mutations in tumor tissue and ctDNA should be evaluated. The urgency of this consistency is extremely obvious in lung cancer to which great attention has been paid to in liquid biopsy field. Methods: We have developed an approach named systematic error correction sequencing (Sec-Seq) to improve the evaluation of sequence alterations in circulating cell-free DNA. Averagely 10 ml preoperative blood samples were collected from 30 patients containing pulmonary space occupying pathological changes by traditional clinic diagnosis. cfDNA from plasma, genomic DNA from white blood cells, and genomic DNA from solid tumor of above patients were extracted and constructed as libraries for each sample before subjected to sequencing by a panel contains 50 cancer-associated genes encompassing 29 kb by custom probe hybridization capture with average depth >40000, 7000, or 6300 folds respectively. Results: Detection limit for mutant allele frequency in our study was 0.1%. The sequencing results were analyzed by bioinformatic expertise based on our previous studies on the baseline mutation profiling of circulating cell-free DNA and the clinicopathological data of these patients. Among all the lung cancer patients, 78% patients were predicted as positive by ctDNA sequencing when the shreshold was defined as at least one of the hotspot mutations detected in the blood (ctDNA) was also detected in tumor tissue. Pneumonia and pulmonary tuberculosis were detected as negative according to the above standard. When evaluating all hotspots in driver genes in the panel, 24% mutations detected in tumor tissue (tDNA) were also detected in patients blood (ctDNA). When evaluating all genetic variations in the panel, including all the driver genes and passenger genes, 28% detected in tumor tissue (tDNA) were also detected in patients blood (ctDNA). Positive detection rates of plasma ctDNA in stage I lung cancer patients is 85%, compared with 17% of tumor biomarkers. Conclusion: We demonstrated the importance of sequencing both circulating cell-free DNA and genomic DNA in tumor tissue for ctDNA detection in lung cancer currently. We also determined and confirmed the consistency of ctDNA and tumor tissue through NGS according to the criteria explored in our studies. Our strategy can initially distinguish the lung cancer from benign lesions of lung. Our work shows that the consistency will be benefited from the optimization in sensitivity and specificity in ctDNA detection.

The molecular alteration in circulating cell-free DNA (cfDNA) in plasma can reflect the status of the human body in a timely manner. Hence, cfDNA has emerged as important biomarkers in clinical diagnostics, particularly in cancer. However, somatic mutations are also commonly found in healthy individuals, which extensively interfere with the diagnostic results in cancer. This study was designed to examine the background somatic mutations in white blood cells (WBC) and cfDNA for healthy controls based on the sequencing data from 1134 samples, to understand the patterns and origin of mutations detected in cfDNA. We determined the mutation frequencies in both the WBC and cfDNA groups of the samples by a panel of 50 cancer-associated genes which covered 20K nucleotide regions using ultra-deep sequencing with average depth >40000 folds. Our results showed that most of mutations in cfDNA originated from WBC. We also observed that NPM1 gene was the most frequently mutant gene in both WBC and cfDNA. Our study highlighted the importance of sequencing both cfDNA and WBC, to improve the sensitivity and accuracy for calling cancer-related mutations from circulating tumor DNA, and shielded light on developing the early cancer diagnosis by cfDNA sequencing.

Abstract BACKGROUND Early detection of lung cancer to allow curative treatment remains challenging. Cell-free circulating tumor DNA (ctDNA) analysis may aid in malignancy assessment and early cancer diagnosis of lung nodules found in screening imagery. METHODS The multi-center clinical study enrolled 192 patients with operable occupying lung diseases. Plasma ctDNA, white blood cell genomic DNA (gDNA) and tumor tissue gDNA of each patient were analyzed by ultra-deep sequencing to an average of 35,000X of the coding regions of 65 lung cancer-related genes. RESULTS The cohort consists of a quarter of benign lung diseases and three quarters of cancer patients with all histopathology subtypes. 64% of the cancer patients is at Stage I. Gene mutations detection in tissue gDNA and plasma ctDNA results in a sensitivity of 91% and specificity of 88%. When ctDNA assay was used as the test, the sensitivity was 69% and specificity 96%. As for the lung cancer patients, the assay detected 63%, 83%, 94% and 100%, for Stage I, II, III and IV, respectively. In a linear discriminant analysis, combination of ctDNA, patient age and a panel of serum biomarkers boosted the overall sensitivity to 80% at a specificity of 99%. 29 out of the 65 genes harbored mutations in the lung cancer patients with the largest number found in TP53 (30% plasma and 62% tumor tissue samples) and EGFR (20% and 40%, respectively). CONCLUSION Plasma ctDNA was analyzed in lung nodule assessment and early cancer detection while an algorithm combining clinical information enhanced the test performance.