The early detection of relapse following primary surgery for non-small-cell lung cancer and the characterization of emerging subclones, which seed metastatic sites, might offer new therapeutic approaches for limiting tumour recurrence. The ability to track the evolutionary dynamics of early-stage lung cancer non-invasively in circulating tumour DNA (ctDNA) has not yet been demonstrated. Here we use a tumour-specific phylogenetic approach to profile the ctDNA of the first 100 TRACERx (Tracking Non-Small-Cell Lung Cancer Evolution Through Therapy (Rx)) study participants, including one patient who was also recruited to the PEACE (Posthumous Evaluation of Advanced Cancer Environment) post-mortem study. We identify independent predictors of ctDNA release and analyse the tumour-volume detection limit. Through blinded profiling of postoperative plasma, we observe evidence of adjuvant chemotherapy resistance and identify patients who are very likely to experience recurrence of their lung cancer. Finally, we show that phylogenetic ctDNA profiling tracks the subclonal nature of lung cancer relapse and metastasis, providing a new approach for ctDNA-driven therapeutic studies. Circulating tumour DNA profiling in early-stage non-small-cell lung cancer can be used to track single-nucleotide variants in plasma to predict lung cancer relapse and identify tumour subclones involved in the metastatic process. Circulating tumour DNA (ctDNA) has proven useful for detecting and monitoring cancer progression from plasma samples. The authors have applied a bespoke multiplex-PCR next-generation sequencing approach to profile ctDNA in the prospective TRACERx lung cancer clinical trial study. The assay tracks clonal and subclonal variants, in pre- and post-surgery samples. In pre-surgery samples ctDNA detection is associated with histological subtype and other pathological variables and correlates with tumour volume. Blinded longitudinal profiling suggests that ctDNA detection also associates with relapse, and provides insight into the evolutionary patterns of tumour cell subclones during progression. These results advance our understanding of how liquid biopsies can be applied clinically to improve monitoring of cancer.

With the use of a mouse model expressing human Fc-gamma receptors (FcγRs), we demonstrated that antibodies with isotypes equivalent to ipilimumab and tremelimumab mediate intra-tumoral regulatory T (Treg) cell depletion in vivo, increasing the CD8+ to Treg cell ratio and promoting tumor rejection. Antibodies with improved FcγR binding profiles drove superior anti-tumor responses and survival. In patients with advanced melanoma, response to ipilimumab was associated with the CD16a-V158F high affinity polymorphism. Such activity only appeared relevant in the context of inflamed tumors, explaining the modest response rates observed in the clinical setting. Our data suggest that the activity of anti-CTLA-4 in inflamed tumors may be improved through enhancement of FcγR binding, whereas poorly infiltrated tumors will likely require combination approaches.

Little is known about the metastatic evolutionary dynamics of BRCA2-mutated cancers. Here, we applied whole-exome sequencing (WES) of primary tumor (PT), local relapse (LR) and eight serial plasma cfDNA samples collected from disease progression to depict the 12 years evolutionary trajectory of a metastatic BRCA2-mutated breast cancer. While longitudinal WES-cfDNA recapitulated clonal and subclonal mutations and copy number profiles detected in LR, emergence of plasma-exclusive mutations in TSC2 and HDAC9 cancer-related genes and loss of HLA loci as an immune escape mechanism were also detected. Lastly, mutation signature 3, associated with homologous recombination deficiency and response to platinum-based therapy raised profoundly from 19% in PT to 60% in late stage disease. In conclusion, we show for the first time that longitudinal WES-cfDNA enables the evolutionary trajectory of advanced cancer to be uncovered and that increment of MS3 and loss of HLA are key players in this BRCA2-mutated breast metastasis.