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.

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.

microRNAs (miRNA) are involved in cancer development and progression, acting as tumor suppressors or oncogenes. Here, we profiled the expression of 290 unique human miRNAs in 11 normal and 106 bladder tumor samples using spotted locked nucleic acid-based oligonucleotide microarrays. We identified several differentially expressed miRNAs between normal urothelium and cancer and between the different disease stages. miR-145 was found to be the most down-regulated in cancer compared with normal, and miR-21 was the most up-regulated in cancer. Furthermore, we identified miRNAs that significantly correlated to the presence of concomitant carcinoma in situ. We identified several miRNAs with prognostic potential for predicting disease progression (e.g., miR-129, miR-133b, and miR-518c*). We localized the expression of miR-145, miR-21, and miR-129 to urothelium by in situ hybridization. We then focused on miR-129 that exerted significant growth inhibition and induced cell death upon transfection with a miR-129 precursor in bladder carcinoma cell lines T24 and SW780 cells. Microarray analysis of T24 cells after transfection showed significant miR-129 target down-regulation (P = 0.0002) and pathway analysis indicated that targets were involved in cell death processes. By analyzing gene expression data from clinical tumor samples, we identified significant expression changes of target mRNA molecules related to the miRNA expression. Using luciferase assays, we documented a direct link between miR-129 and the two putative targets GALNT1 and SOX4. The findings reported here indicate that several miRNAs are differentially regulated in bladder cancer and may form a basis for clinical development of new biomarkers for bladder cancer.

Abstract Purpose: We investigated whether detection of ctDNA after resection of colorectal cancer identifies the patients with the highest risk of relapse and, furthermore, whether longitudinal ctDNA analysis allows early detection of relapse and informs about response to intervention. Experimental Design: In this longitudinal cohort study, we used massively parallel sequencing to identify somatic mutations and used these as ctDNA markers to detect minimal residual disease and to monitor changes in tumor burden during a 3-year follow-up period. Results: A total of 45 patients and 371 plasma samples were included. Longitudinal samples from 27 patients revealed ctDNA postoperatively in all relapsing patients (n = 14), but not in any of the nonrelapsing patients. ctDNA detected relapse with an average lead time of 9.4 months compared with CT imaging. Of 21 patients treated for localized disease, six had ctDNA detected within 3 months after surgery. All six later relapsed compared with four of the remaining patients [HR, 37.7; 95% confidence interval (CI), 4.2–335.5; P < 0.001]. The ability of a 3-month ctDNA analysis to predict relapse was confirmed in 23 liver metastasis patients (HR 4.9; 95% CI, 1.5–15.7; P = 0.007). Changes in ctDNA levels induced by relapse intervention (n = 19) showed good agreement with changes in tumor volume (κ = 0.41; Spearman ρ = 0.4). Conclusions: Postoperative ctDNA detection provides evidence of residual disease and identifies patients at very high risk of relapse. Longitudinal surveillance enables early detection of relapse and informs about response to intervention. These observations have implications for the postoperative management of colorectal cancer patients. Clin Cancer Res; 23(18); 5437–45. ©2017 AACR.

Abstract Exosomes are small secreted vesicles that can transfer their content to recipient cells. In cancer, exosome secretion has been implicated in tumor growth and metastatic spread. In this study, we explored the possibility that exosomal pathways might discard tumor-suppressor miRNA that restricts metastatic progression. Secreted miRNA characterized from isogenic bladder carcinoma cell lines with differing metastatic potential were uncoupled from binding to target transcripts or the AGO2–miRISC complex. In metastatic cells, we observed a relative increase in secretion of miRNA with tumor-suppressor functions, including miR23b, miR224, and miR921. Ectopic expression of miR23b inhibited invasion, anoikis, angiogenesis, and pulmonary metastasis. Silencing of the exocytotic RAB family members RAB27A or RAB27B halted miR23b and miR921 secretion and reduced cellular invasion. Clinically, elevated levels of RAB27B expression were linked to poor prognosis in two independent cohorts of patients with bladder cancer. Moreover, highly exocytosed miRNA from metastatic cells, such as miR23b, were reduced in lymph node metastases compared with patient-matched primary tumors and were correlated with increments in miRNA-targeted RNA. Taken together, our results suggested that exosome-mediated secretion of tumor-suppressor miRNA is selected during tumor progression as a mechanism to coordinate activation of a metastatic cascade. Cancer Res; 74(20); 5758–71. ©2014 AACR.

Abstract The molecular landscape in non-muscle-invasive bladder cancer (NMIBC) is characterized by large biological heterogeneity with variable clinical outcomes. Here, we perform an integrative multi-omics analysis of patients diagnosed with NMIBC ( n = 834). Transcriptomic analysis identifies four classes (1, 2a, 2b and 3) reflecting tumor biology and disease aggressiveness. Both transcriptome-based subtyping and the level of chromosomal instability provide independent prognostic value beyond established prognostic clinicopathological parameters. High chromosomal instability, p53-pathway disruption and APOBEC-related mutations are significantly associated with transcriptomic class 2a and poor outcome. RNA-derived immune cell infiltration is associated with chromosomally unstable tumors and enriched in class 2b. Spatial proteomics analysis confirms the higher infiltration of class 2b tumors and demonstrates an association between higher immune cell infiltration and lower recurrence rates. Finally, the independent prognostic value of the transcriptomic classes is documented in 1228 validation samples using a single sample classification tool. The classifier provides a framework for biomarker discovery and for optimizing treatment and surveillance in next-generation clinical trials.

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 APOBEC3A (A3A) and APOBEC3B (A3B) enzymes drive APOBEC-mediated mutagenesis, but the understanding of the regulation of their mutagenic activity remains limited. Here, we showed that mutagenic and non-mutagenic A3A and A3B enzymes are produced by canonical and alternatively spliced A3A and A3B isoforms, respectively. Notably, increased expression of the canonical A3B isoform, which encodes the mutagenic A3B enzyme, predicted shorter progression-free survival of bladder cancer patients. Expression of the mutagenic A3B isoform was reduced by exon 5 skipping, generating a non-mutagenic A3B isoform. The exon 5 skipping, which was dependent on the interaction between SF3B1 splicing factor and weak branch point sites in intron 4, could be enhanced by an SF3B1 inhibitor, decreasing the production of the mutagenic A3B enzyme. Thus, our results underscore the role of A3B, especially in bladder cancer, and implicate alternative splicing of A3B as a mechanism and therapeutic target to restrict APOBEC-mediated mutagenesis.

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.