PURPOSE Novel sensitive methods for early detection of relapse and for monitoring therapeutic efficacy may have a huge impact on risk stratification, treatment, and ultimately outcome for patients with bladder cancer. We addressed the prognostic and predictive impact of ultra-deep sequencing of cell-free DNA in patients before and after cystectomy and during chemotherapy. PATIENTS AND METHODS We included 68 patients with localized advanced bladder cancer. Patient-specific somatic mutations, identified by whole-exome sequencing, were used to assess circulating tumor DNA (ctDNA) by ultra-deep sequencing (median, 105,000×) of plasma DNA. Plasma samples (n = 656) were procured at diagnosis, during chemotherapy, before cystectomy, and during surveillance. Expression profiling was performed for tumor subtype and immune signature analyses. RESULTS Presence of ctDNA was highly prognostic at diagnosis before chemotherapy (hazard ratio, 29.1; P = .001). After cystectomy, ctDNA analysis correctly identified all patients with metastatic relapse during disease monitoring (100% sensitivity, 98% specificity). A median lead time over radiographic imaging of 96 days was observed. In addition, for high-risk patients (ctDNA positive before or during treatment), the dynamics of ctDNA during chemotherapy was associated with disease recurrence ( P = .023), whereas pathologic downstaging was not. Analysis of tumor-centric biomarkers showed that mutational processes (signature 5) were associated with pathologic downstaging ( P = .024); however, no significant correlation for tumor subtypes, DNA damage response mutations, and other biomarkers was observed. Our results suggest that ctDNA analysis is better associated with treatment efficacy compared with other available methods. CONCLUSION ctDNA assessment for early risk stratification, therapy monitoring, and early relapse detection in bladder cancer is feasible and provides a basis for clinical studies that evaluate early therapeutic interventions.

Circulating tumor DNA (ctDNA) can be used for sensitive detection of minimal residual disease (MRD). However, the probability of detecting ctDNA in settings of low tumor burden is limited by the number of mutations analyzed and the plasma volume available. We used a whole-genome sequencing (WGS) approach for ctDNA detection in patients with urothelial carcinoma. We used a tumor-informed WGS approach for ctDNA-based detection of MRD and evaluation of treatment responses. We analyzed 916 longitudinally collected plasma samples from 112 patients with localized muscle-invasive bladder cancer who received neoadjuvant chemotherapy (NAC) before radical cystectomy. Recurrence-free survival (primary endpoint), overall survival, and ctDNA dynamics during NAC were assessed. We found that WGS-based ctDNA detection is prognostic for patient outcomes with a median lead time of 131 d over radiographic imaging. WGS-based ctDNA assessment after radical cystectomy identified recurrence with sensitivity of 91% and specificity of 92%. In addition, genomic characterization of post-treatment plasma samples with a high ctDNA level revealed acquisition of platinum therapy–associated mutational signatures and copy number variations not present in the primary tumors. The sequencing depth is a limitation for studying tumor evolution. Our results support the use of WGS for ultrasensitive ctDNA detection and highlight the possibility of plasma-based tracking of tumor evolution. WGS-based ctDNA detection represents a promising option for clinical use owing to the low volume of plasma needed and the ease of performing WGS, eliminating the need for personalized assay design. Detection of tumor DNA in blood samples from patients with cancer of the urinary tract is associated with poorer outcomes. Disease recurrence after surgery can be identified by the presence of tumor DNA in blood before it can be detected on radiography scans.

Abstract Mycobacterium bovis Bacillus Calmette-Guerin (BCG), the first-line treatment for non-muscle invasive bladder cancer (NMIBC), promotes the production of inflammatory cytokines, particularly interferon (IFN)-γ. Prolonged inflammation and IFN-γ exposure are known to cause an adaptive immune response, enabling immune escape and proliferation by tumor cells. We investigated HLA-E and NKG2A, a novel T and NK cell checkpoint pathway, as a driver of adaptive resistance in BCG unresponsive NMIBC. We observed ubiquitous inflammation in all patients after BCG immunotherapy, regardless of recurrence status. IFN-γ was shown to drive tumor expression of HLA-E and PD-L1. Further, NKG2A-expressing NK and CD8 T cells were enriched in BCG unresponsive tumors and with enhanced capacity for cytolytic functions. Strikingly, in situ spatial analyses revealed that HLA-E HIGH tumors are activated to recruit NK and T cells via chemokine production, potentially sparing HLA-E LOW tumors that would otherwise be susceptible to lysis. Finally, blood-derived NK cells retained anti-tumor functions at the time of tumor recurrence. These data support combined NKG2A and PD-L1 blockade for BCG unresponsive disease.

Summary Current transcriptomic classification systems for bladder cancer do not consider the level of intra-tumor subtype heterogeneity. Here we present an investigation of the extent and possible clinical impact of intra-tumor heterogeneity across early and more advanced disease stages of bladder cancer. We performed single nucleus RNA-sequencing of 48 bladder tumors and four of these tumors were additionally analyzed using spatial transcriptomics. Total bulk RNA-sequencing and spatial proteomics data were available from the same tumors for comparison, along with detailed clinical follow-up of the patients. We demonstrate that tumors display varying levels of intra-tumor subtype heterogeneity and show that a higher class 2a weight estimated from bulk RNA-sequencing data is associated with worse outcome in patients with molecular high-risk class 2a tumors. Our results indicate that discrete subtype assignments from bulk RNA-sequencing data may lack biological granularity and continuous class scores could improve clinical risk stratification of patients. Highlights Single nucleus RNA-sequencing of tumors from 48 bladder cancer patients. Tumors display varying levels of intra-tumor subtype heterogeneity at single nucleus and bulk tumor level. The level of subtype heterogeneity could be estimated from both single nucleus and bulk RNA-sequencing data with a high concordance between the two. High class 2a weight estimated from bulk RNA-sequencing data is associated with worse outcome in patients with molecular high-risk class 2a tumors.

Abstract This paper provides a laboratory workflow for single-nucleus RNA-sequencing (snRNA-seq) including a protocol for gentle nuclei isolation from fresh frozen tumor biopsies, making it possible to analyze biobanked material. To develop this protocol, we used non-frozen and frozen human bladder tumors and cell lines. We tested different lysis buffers (IgePal and Nuclei EZ) and incubation times in combination with different approaches for tissue and cell dissection; sectioning, semi-automated dissociation, manual dissociation with pestles, and semi-automated dissociation combined with manual dissociation with pestles. Our results showed a combination of IgePal lysis buffer, tissue dissection by sectioning and short incubation time was the best conditions for gentle nuclei isolation applicable for snRNA-seq, and we found limited confounding transcriptomic changes based on the isolation procedure. This protocol makes it possible to analyze biobanked material from patients with well described clinical and histopathological information and known clinical outcomes with snRNA-seq.

Abstract Bladder field cancerization may be associated with disease outcome in patients with bladder cancer. To investigate this, we analyzed biopsies from bladder urothelium and urine samples by genomics and proteomics analyses. Samples were procured from multiple timepoints from 134 patients with early stage bladder cancer and detailed long term follow-up. We measured the field cancerization in normal-appearing bladder biopsies and found that high levels were associated with high tumor mutational burden, high neoantigen load, and high tumor-associated CD8 T-cell exhaustion. Non-synonymous mutations in known bladder cancer driver genes such as KDM6A and TP53 were identified as early disease drivers in normal urothelium. High field cancerization was associated with worse outcome but not with response to BCG. The level of urinary tumor DNA (utDNA) reflected the bladder tumor burden and originated from both tumors and field cancerization. High utDNA levels after BCG were associated with worse clinical outcomes for the patients. Our results indicate that the level of field cancerization may affect clinical outcome, tumor development and immune responses. utDNA measurements have significant prognostic value and reflect the disease status of the bladder.

Abstract Background FGFR3 mutations are among the most frequent genetic alterations in bladder cancer and are enriched in the luminal papillary subtype of muscle-invasive tumors (MIBC) and luminal-like classes 1 and 3 of non-MIBC. To study their oncogenic properties in vivo , we developed here a genetically engineered mouse (GEM) model expressing the most frequent FGFR3 mutation, FGFR3-S249C, in urothelial cells. Methods Bladder tumorigenesis was monitored in FGFR3-S249C mice. FGFR3 expression was assessed by RT-qPCR in the transgenic mice urothelium and in various human epithelia. Transcriptomic data were obtained from mouse bladder tumors and crossspecies comparisons were performed. Sex bias in FGFR3-mutated tumors was evaluated in our GEM model and in the TCGA and UROMOL cohorts of patients including 408 MIBC and 419 NMIBC, respectively. The association of androgen receptor (AR) activity, based on the expression of its target genes, with FGFR3 mutations was examined in these two cohorts. Binding of AR to its response element and AR phosphorylation in FGFR3-dependent cell lines were evaluated. Results FGFR3-S249C expression in the urothelium of mice induced spontaneous low-grade papillary bladder tumors resembling the human counterpart at the histological and transcriptomic levels. Mutant-FGFR3 expression levels impacted tumor formation incidence in mice and mutant-FGFR3-driven human tumors were restricted to epithelia presenting high normal expression levels of FGFR3. The known bladder cancer male gender bias, also found in our model, was even higher in human FGFR3-mutated compared to wild-type tumors and associated with a higher AR regulon activity considering gender adjustment. AR phosphorylation and regulon activity were modulated by FGFR3 in FGFR3-dependent models. Conclusions Mutant-FGFR3 is an oncogene per se, inducing bladder tumorigenesis. Patients with early stage bladder lesions could thus potentially benefit from FGFR3 targeting. Our results also reinforce the interest in elucidating the role of AR in bladder carcinogenesis, specifically in FGFR3-mutated driven tumors. Finally, our results suggest FGFR3 expression level in epithelium as a determinant for the FGFR3-driven tumors tissue specificity.

Bacillus Calmette-Guerin (BCG) is the primary treatment for non-muscle-invasive bladder cancer (NMIBC), known to stimulate inflammatory cytokines, notably interferon (IFN)-γ. We observed that prolonged IFN-γ exposure fosters adaptive resistance in recurrent tumors, aiding immune evasion and tumor proliferation. We identify HLA-E and NKG2A, part of a novel NK and T cell checkpoint pathway, as key mediators of resistance in BCG-unresponsive NMIBC. IFN-γ enhances HLA-E and PD-L1 expression in recurrent tumors, with an enrichment of intra-tumoral NKG2A-expressing NK and CD8 T cells. CXCL9