Among patients with non–small-cell lung cancer (NSCLC), data on intratumor heterogeneity and cancer genome evolution have been limited to small retrospective cohorts. We wanted to prospectively investigate intratumor heterogeneity in relation to clinical outcome and to determine the clonal nature of driver events and evolutionary processes in early-stage NSCLC.

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.

Summary

Background

 There are few effective treatment options for patients with recurrent or metastatic head-and-neck squamous cell carcinoma. Pembrolizumab showed antitumour activity and manageable toxicity in early-phase trials. We aimed to compare the efficacy and safety of pembrolizumab versus standard-of-care therapy for the treatment of head-and-neck squamous cell carcinoma. 

Methods

 We did a randomised, open-label, phase 3 study at 97 medical centres in 20 countries. Patients with head-and-neck squamous cell carcinoma that progressed during or after platinum-containing treatment for recurrent or metastatic disease (or both), or whose disease recurred or progressed within 3–6 months of previous multimodal therapy containing platinum for locally advanced disease, were randomly assigned (1:1) in blocks of four per stratum with an interactive voice-response and integrated web-response system to receive pembrolizumab 200 mg every 3 weeks intravenously or investigator's choice of standard doses of methotrexate, docetaxel, or cetuximab intravenously (standard-of-care group). The primary endpoint was overall survival in the intention-to-treat population. Safety was analysed in the as-treated population. This trial is registered with ClinicalTrials.gov, number NCT02252042, and is no longer enrolling patients. 

Findings

 Between Dec 24, 2014, and May 13, 2016, 247 patients were randomly allocated to pembrolizumab and 248 were randomly allocated to standard of care. As of May 15, 2017, 181 (73%) of 247 patients in the pembrolizumab group and 207 (83%) of 248 patients in the standard-of-care group had died. Median overall survival in the intention-to-treat population was 8·4 months (95% CI 6·4–9·4) with pembrolizumab and 6·9 months (5·9–8·0) with standard of care (hazard ratio 0·80, 0·65–0·98; nominal p=0·0161). Fewer patients treated with pembrolizumab than with standard of care had grade 3 or worse treatment-related adverse events (33 [13%] of 246 vs 85 [36%] of 234). The most common treatment-related adverse event was hypothyroidism with pembrolizumab (in 33 [13%] patients) and fatigue with standard of care (in 43 [18%]). Treatment-related death occurred in four patients treated with pembrolizumab (unspecified cause, large intestine perforation, malignant neoplasm progression, and Stevens-Johnson syndrome) and two patients treated with standard of care (malignant neoplasm progression and pneumonia). 

Interpretation

 The clinically meaningful prolongation of overall survival and favourable safety profile of pembrolizumab in patients with recurrent or metastatic head and neck squamous cell carcinoma support the further evaluation of pembrolizumab as a monotherapy and as part of combination therapy in earlier stages of disease. 

Funding

 Merck Sharp & Dohme, a subsidiary of Merck & Co.

Summary

 Immune evasion is a hallmark of cancer. Losing the ability to present neoantigens through human leukocyte antigen (HLA) loss may facilitate immune evasion. However, the polymorphic nature of the locus has precluded accurate HLA copy-number analysis. Here, we present loss of heterozygosity in human leukocyte antigen (LOHHLA), a computational tool to determine HLA allele-specific copy number from sequencing data. Using LOHHLA, we find that HLA LOH occurs in 40% of non-small-cell lung cancers (NSCLCs) and is associated with a high subclonal neoantigen burden, APOBEC-mediated mutagenesis, upregulation of cytolytic activity, and PD-L1 positivity. The focal nature of HLA LOH alterations, their subclonal frequencies, enrichment in metastatic sites, and occurrence as parallel events suggests that HLA LOH is an immune escape mechanism that is subject to strong microenvironmental selection pressures later in tumor evolution. Characterizing HLA LOH with LOHHLA refines neoantigen prediction and may have implications for our understanding of resistance mechanisms and immunotherapeutic approaches targeting neoantigens. 

Video Abstract

Spatial and temporal dissection of the genomic changes occurring during the evolution of human non–small cell lung cancer (NSCLC) may help elucidate the basis for its dismal prognosis. We sequenced 25 spatially distinct regions from seven operable NSCLCs and found evidence of branched evolution, with driver mutations arising before and after subclonal diversification. There was pronounced intratumor heterogeneity in copy number alterations, translocations, and mutations associated with APOBEC cytidine deaminase activity. Despite maintained carcinogen exposure, tumors from smokers showed a relative decrease in smoking-related mutations over time, accompanied by an increase in APOBEC-associated mutations. In tumors from former smokers, genome-doubling occurred within a smoking-signature context before subclonal diversification, which suggested that a long period of tumor latency had preceded clinical detection. The regionally separated driver mutations, coupled with the relentless and heterogeneous nature of the genome instability processes, are likely to confound treatment success in NSCLC.

BackgroundThe incidence of human papillomavirus (HPV)-positive oropharyngeal cancer, a disease affecting younger patients, is rapidly increasing. Cetuximab, an epidermal growth factor receptor inhibitor, has been proposed for treatment de-escalation in this setting to reduce the toxicity of standard cisplatin treatment, but no randomised evidence exists for the efficacy of this strategy.MethodsWe did an open-label randomised controlled phase 3 trial at 32 head and neck treatment centres in Ireland, the Netherlands, and the UK, in patients aged 18 years or older with HPV-positive low-risk oropharyngeal cancer (non-smokers or lifetime smokers with a smoking history of <10 pack-years). Eligible patients were randomly assigned (1:1) to receive, in addition to radiotherapy (70 Gy in 35 fractions), either intravenous cisplatin (100 mg/m2 on days 1, 22, and 43 of radiotherapy) or intravenous cetuximab (400 mg/m2 loading dose followed by seven weekly infusions of 250 mg/m2). The primary outcome was overall severe (grade 3–5) toxicity events at 24 months from the end of treatment. The primary outcome was assessed by intention-to-treat and per-protocol analyses. This trial is registered with the ISRCTN registry, number ISRCTN33522080.FindingsBetween Nov 12, 2012, and Oct 1, 2016, 334 patients were recruited (166 in the cisplatin group and 168 in the cetuximab group). Overall (acute and late) severe (grade 3–5) toxicity did not differ significantly between treatment groups at 24 months (mean number of events per patient 4·8 [95% CI 4·2–5·4] with cisplatin vs 4·8 [4·2–5·4] with cetuximab; p=0·98). At 24 months, overall all-grade toxicity did not differ significantly either (mean number of events per patient 29·2 [95% CI 27·3–31·0] with cisplatin vs 30·1 [28·3–31·9] with cetuximab; p=0·49). However, there was a significant difference between cisplatin and cetuximab in 2-year overall survival (97·5% vs 89·4%, hazard ratio 5·0 [95% CI 1·7–14·7]; p=0·001) and 2-year recurrence (6·0% vs 16·1%, 3·4 [1·6–7·2]; p=0·0007).InterpretationCompared with the standard cisplatin regimen, cetuximab showed no benefit in terms of reduced toxicity, but instead showed significant detriment in terms of tumour control. Cisplatin and radiotherapy should be used as the standard of care for HPV-positive low-risk patients who are able to tolerate cisplatin.FundingCancer Research UK.

Summary

Background

 Poly(ADP-ribose) polymerase (PARP) is implicated in DNA repair and transcription regulation. Niraparib (MK4827) is an oral potent, selective PARP-1 and PARP-2 inhibitor that induces synthetic lethality in preclinical tumour models with loss of BRCA and PTEN function. We investigated the safety, tolerability, maximum tolerated dose, pharmacokinetic and pharmacodynamic profiles, and preliminary antitumour activity of niraparib. 

Methods

 In a phase 1 dose-escalation study, we enrolled patients with advanced solid tumours at one site in the UK and two sites in the USA. Eligible patients were aged at least 18 years; had a life expectancy of at least 12 weeks; had an Eastern Cooperative Oncology Group performance status of 2 or less; had assessable disease; were not suitable to receive any established treatments; had adequate organ function; and had discontinued any previous anticancer treatments at least 4 weeks previously. In part A, cohorts of three to six patients, enriched for BRCA1 and BRCA2 mutation carriers, received niraparib daily at ten escalating doses from 30 mg to 400 mg in a 21-day cycle to establish the maximum tolerated dose. Dose expansion at the maximum tolerated dose was pursued in 15 patients to confirm tolerability. In part B, we further investigated the maximum tolerated dose in patients with sporadic platinum-resistant high-grade serous ovarian cancer and sporadic prostate cancer. We obtained blood, circulating tumour cells, and optional paired tumour biopsies for pharmacokinetic and pharmacodynamic assessments. Toxic effects were assessed by common toxicity criteria and tumour responses ascribed by Response Evaluation Criteria in Solid Tumors (RECIST). Circulating tumour cells and archival tumour tissue in prostate patients were analysed for exploratory putative predictive biomarkers, such as loss of PTEN expression and ETS rearrangements. This trial is registered with ClinicalTrials.gov, NCT00749502. 

Findings

 Between Sept 15, 2008, and Jan 14, 2011, we enrolled 100 patients: 60 in part A and 40 in part B. 300 mg/day was established as the maximum tolerated dose. Dose-limiting toxic effects reported in the first cycle were grade 3 fatigue (one patient given 30 mg/day), grade 3 pneumonitis (one given 60 mg/day), and grade 4 thrombocytopenia (two given 400 mg/day). Common treatment-related toxic effects were anaemia (48 patients [48%]), nausea (42 [42%]), fatigue (42 [42%]), thrombocytopenia (35 [35%]), anorexia (26 [26%]), neutropenia (24 [24%]), constipation (23 [23%]), and vomiting (20 [20%]), and were predominantly grade 1 or 2. Pharmacokinetics were dose proportional and the mean terminal elimination half-life was 36·4 h (range 32·8–46·0). Pharmacodynamic analyses confirmed PARP inhibition exceeded 50% at doses greater than 80 mg/day and antitumour activity was documented beyond doses of 60 mg/day. Eight (40% [95% CI 19–64]) of 20 BRCA1 or BRCA2 mutation carriers with ovarian cancer had RECIST partial responses, as did two (50% [7–93]) of four mutation carriers with breast cancer. Antitumour activity was also reported in sporadic high-grade serous ovarian cancer, non-small-cell lung cancer, and prostate cancer. We recorded no correlation between loss of PTEN expression or ETS rearrangements and measures of antitumour activity in patients with prostate cancer. 

Interpretation

 A recommended phase 2 dose of 300 mg/day niraparib is well tolerated. Niraparib should be further assessed in inherited and sporadic cancers with homologous recombination DNA repair defects and to target PARP-mediated transcription in cancer. 

Funding

 Merck Sharp and Dohme.

Objectives To estimate the impact of the COVID-19 pandemic on cancer care services and overall (direct and indirect) excess deaths in people with cancer. Methods We employed near real-time weekly data on cancer care to determine the adverse effect of the pandemic on cancer services. We also used these data, together with national death registrations until June 2020 to model deaths, in excess of background (pre-COVID-19) mortality, in people with cancer. Background mortality risks for 24 cancers with and without COVID-19-relevant comorbidities were obtained from population-based primary care cohort (Clinical Practice Research Datalink) on 3 862 012 adults in England. Results Declines in urgent referrals (median=−70.4%) and chemotherapy attendances (median=−41.5%) to a nadir (lowest point) in the pandemic were observed. By 31 May, these declines have only partially recovered; urgent referrals (median=−44.5%) and chemotherapy attendances (median=−31.2%). There were short-term excess death registrations for cancer (without COVID-19), with peak relative risk (RR) of 1.17 at week ending on 3 April. The peak RR for all-cause deaths was 2.1 from week ending on 17 April. Based on these findings and recent literature, we modelled 40% and 80% of cancer patients being affected by the pandemic in the long-term. At 40% affected, we estimated 1-year total (direct and indirect) excess deaths in people with cancer as between 7165 and 17 910, using RRs of 1.2 and 1.5, respectively, where 78% of excess deaths occured in patients with ≥1 comorbidity. Conclusions Dramatic reductions were detected in the demand for, and supply of, cancer services which have not fully recovered with lockdown easing. These may contribute, over a 1-year time horizon, to substantial excess mortality among people with cancer and multimorbidity. It is urgent to understand how the recovery of general practitioner, oncology and other hospital services might best mitigate these long-term excess mortality risks.

The immune microenvironment influences tumour evolution and can be both prognostic and predict response to immunotherapy1,2. However, measurements of tumour infiltrating lymphocytes (TILs) are limited by a shortage of appropriate data. Whole-exome sequencing (WES) of DNA is frequently performed to calculate tumour mutational burden and identify actionable mutations. Here we develop T cell exome TREC tool (T cell ExTRECT), a method for estimation of T cell fraction from WES samples using a signal from T cell receptor excision circle (TREC) loss during V(D)J recombination of the T cell receptor-α gene (TCRA (also known as TRA)). TCRA T cell fraction correlates with orthogonal TIL estimates and is agnostic to sample type. Blood TCRA T cell fraction is higher in females than in males and correlates with both tumour immune infiltrate and presence of bacterial sequencing reads. Tumour TCRA T cell fraction is prognostic in lung adenocarcinoma. Using a meta-analysis of tumours treated with immunotherapy, we show that tumour TCRA T cell fraction predicts immunotherapy response, providing value beyond measuring tumour mutational burden. Applying T cell ExTRECT to a multi-sample pan-cancer cohort reveals a high diversity of the degree of immune infiltration within tumours. Subclonal loss of 12q24.31–32, encompassing SPPL3, is associated with reduced TCRA T cell fraction. T cell ExTRECT provides a cost-effective technique to characterize immune infiltrate alongside somatic changes. A robust, cost-effective technique based on whole-exome sequencing data can be used to characterize immune infiltrates, relate the extent of these infiltrates to somatic changes in tumours, and enables prediction of tumour responses to immune checkpoint inhibition therapy.

SUMMARY Aberrant methylation is a hallmark of cancer, but bulk tumor data is confounded by admixed normal cells and copy number changes. Here, we introduce Copy number-Aware Methylation Deconvolution Analysis of Cancers (CAMDAC; https://github.com/VanLoo-lab/CAMDAC ), which outputs tumor purity, allele-specific copy number and deconvolved methylation estimates. We apply CAMDAC to 122 multi-region samples from 38 TRACERx non-small cell lung cancers profiled by reduced representation bisulfite sequencing. CAMDAC copy number profiles parallel those derived from genome sequencing and highlight widespread chromosomal instability. Deconvolved polymorphism-independent methylation rates enable unbiased tumor-normal and tumor-tumor differential methylation calling. Read-phasing validates CAMDAC methylation rates and directly links genotype and epitype. We show increased epigenetic instability in adenocarcinoma vs. squamous cell carcinoma, frequent hypermethylation at sites carrying somatic mutations, and parallel copy number losses and methylation changes at imprinted loci. Unlike bulk methylomes, CAMDAC profiles recapitulate tumor phylogenies and evidence distinct patterns of epigenetic heterogeneity in lung cancer.