Novel sensitive methods for detection and monitoring of residual disease can improve postoperative risk stratification with implications for patient selection for adjuvant chemotherapy (ACT), ACT duration, intensity of radiologic surveillance, and, ultimately, outcome for patients with colorectal cancer (CRC).To investigate the association of circulating tumor DNA (ctDNA) with recurrence using longitudinal data from ultradeep sequencing of plasma cell-free DNA in patients with CRC before and after surgery, during and after ACT, and during surveillance.In this prospective, multicenter cohort study, ctDNA was quantified in the preoperative and postoperative settings of stages I to III CRC by personalized multiplex, polymerase chain reaction-based, next-generation sequencing. The study enrolled 130 patients at the surgical departments of Aarhus University Hospital, Randers Hospital, and Herning Hospital in Denmark from May 1, 2014, to January 31, 2017. Plasma samples (n = 829) were collected before surgery, postoperatively at day 30, and every third month for up to 3 years.Outcomes were ctDNA measurement, clinical recurrence, and recurrence-free survival.A total of 130 patients with stages I to III CRC (mean [SD] age, 67.9 [10.1] years; 74 [56.9%] male) were enrolled in the study; 5 patients discontinued participation, leaving 125 patients for analysis. Preoperatively, ctDNA was detectable in 108 of 122 patients (88.5%). After definitive treatment, longitudinal ctDNA analysis identified 14 of 16 relapses (87.5%). At postoperative day 30, ctDNA-positive patients were 7 times more likely to relapse than ctDNA-negative patients (hazard ratio [HR], 7.2; 95% CI, 2.7-19.0; P < .001). Similarly, shortly after ACT ctDNA-positive patients were 17 times (HR, 17.5; 95% CI, 5.4-56.5; P < .001) more likely to relapse. All 7 patients who were ctDNA positive after ACT experienced relapse. Monitoring during and after ACT indicated that 3 of the 10 ctDNA-positive patients (30.0%) were cleared by ACT. During surveillance after definitive therapy, ctDNA-positive patients were more than 40 times more likely to experience disease recurrence than ctDNA-negative patients (HR, 43.5; 95% CI, 9.8-193.5 P < .001). In all multivariate analyses, ctDNA status was independently associated with relapse after adjusting for known clinicopathologic risk factors. Serial ctDNA analyses revealed disease recurrence up to 16.5 months ahead of standard-of-care radiologic imaging (mean, 8.7 months; range, 0.8-16.5 months). Actionable mutations were identified in 81.8% of the ctDNA-positive relapse samples.Circulating tumor DNA analysis can potentially change the postoperative management of CRC by enabling risk stratification, ACT monitoring, and early relapse detection.

Non-muscle-invasive bladder cancer (NMIBC) is a heterogeneous disease with widely different outcomes. We performed a comprehensive transcriptional analysis of 460 early-stage urothelial carcinomas and showed that NMIBC can be subgrouped into three major classes with basal- and luminal-like characteristics and different clinical outcomes. Large differences in biological processes such as the cell cycle, epithelial-mesenchymal transition, and differentiation were observed. Analysis of transcript variants revealed frequent mutations in genes encoding proteins involved in chromatin organization and cytoskeletal functions. Furthermore, mutations in well-known cancer driver genes (e.g., TP53 and ERBB2) were primarily found in high-risk tumors, together with APOBEC-related mutational signatures. The identification of subclasses in NMIBC may offer better prognostication and treatment selection based on subclass assignment.

Objective

 To develop an affordable and robust pipeline for selection of patient-specific somatic structural variants (SSVs) being informative about radicality of the primary resection, response to adjuvant therapy, incipient recurrence and response to treatment performed in relation to diagnosis of recurrence. 

Design

 We have established efficient procedures for identification of SSVs by next-generation sequencing and subsequent quantification of 3–6 SSVs in plasma. The consequence of intratumour heterogeneity on our approach was assessed. The level of circulating tumour DNA (ctDNA) was quantified in 151 serial plasma samples from six relapsing and five non-relapsing colorectal cancer (CRC) patients by droplet digital PCR, and correlated to clinical findings. 

Results

 Up to six personalised assays were designed for each patient. Our approach enabled efficient temporal assessment of disease status, response to surgical and oncological intervention, and early detection of incipient recurrence. Our approach provided 2–15 (mean 10) months9 lead time on detection of metastatic recurrence compared to conventional follow-up. The sensitivity and specificity of the SSVs in terms of detecting postsurgery relapse were 100%. 

Conclusions

 We show that assessment of ctDNA is a non-invasive, exquisitely specific and highly sensitive approach for monitoring disease load, which has the potential to provide clinically relevant lead times compared with conventional methods. Furthermore, we provide a low-coverage protocol optimised for identifying SSVs with excellent correlation between SSVs identified in tumours and matched metastases. Application of ctDNA analysis has the potential to change clinical practice in the management of CRC.

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.

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.

Summary T cells are one of the primary effector cells in the endogenous defense against cancer, yet the clinical impact of their quantity, diversity, and dynamics remains underexplored. Here we investigated the clinical relevance of the T cell receptor (TCR) repertoire in patients with bladder cancer. In advanced-stage bladder cancer, low pre-treatment peripheral TCR diversity was associated with worse overall survival (p=0.024), particularly when it coincided with a low fraction of circulating T cells (p=0.00049). The low-diversity TCR repertoires were dominated by expanded clones that persisted throughout treatment and disproportionately targeted latent viral infections. Longitudinal analysis revealed a reduction in TCR diversity after treatment indicating an adverse effect on the immune system. In early-stage bladder cancer, we showed that immunotherapy had a stimulatory effect on TCR diversity in patients with good outcomes. Single-cell sequencing identified most expanded clones as cytotoxic T cells, while non-expanded clones were predominantly naive T cells. Overall, our findings suggest that TCR diversity is a promising new biomarker that may offer new avenues for tailored oncological treatment to enhance clinical outcomes for bladder cancer patients.

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.