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.

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.

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.

Abstract Purpose: Up to 30% of patients with breast cancer relapse after primary treatment. There are no sensitive and reliable tests to monitor these patients and detect distant metastases before overt recurrence. Here, we demonstrate the use of personalized circulating tumor DNA (ctDNA) profiling for detection of recurrence in breast cancer. Experimental Design: Forty-nine primary patients with breast cancer were recruited following surgery and adjuvant therapy. Plasma samples (n = 208) were collected every 6 months for up to 4 years. Personalized assays targeting 16 variants selected from primary tumor whole-exome data were tested in serial plasma for the presence of ctDNA by ultradeep sequencing (average &gt;100,000X). Results: Plasma ctDNA was detected ahead of clinical or radiologic relapse in 16 of the 18 relapsed patients (sensitivity of 89%); metastatic relapse was predicted with a lead time of up to 2 years (median, 8.9 months; range, 0.5–24.0 months). None of the 31 nonrelapsing patients were ctDNA-positive at any time point across 156 plasma samples (specificity of 100%). Of the two relapsed patients who were not detected in the study, the first had only a local recurrence, whereas the second patient had bone recurrence and had completed chemotherapy just 13 days prior to blood sampling. Conclusions: This study demonstrates that patient-specific ctDNA analysis can be a sensitive and specific approach for disease surveillance for patients with breast cancer. More importantly, earlier detection of up to 2 years provides a possible window for therapeutic intervention.

Significance Follicular lymphoma (FL) is a disease characterized by multiple relapses that are linked by a common progenitor bearing only a subset of the mutations found within the tumor that presents clinically. Inability to cure this disease may therefore be linked to the failure of current therapies to clear these early tumor-propagating clones. Here we further define the genetic hallmarks of this disease and model the steps in evolution through phylogenetic analysis of serial tumor biopsies. This identified CREBBP mutations as early events in genome evolution that are enriched within tumor cell progenitors and provided evidence that these mutations act by allowing immune evasion. This highlights CREBBP mutations as an attractive therapeutic target in FL and provides insight into their pathogenic mechanism.

Pathologic complete response (pCR) to neoadjuvant chemotherapy (NAC) is strongly associated with favorable outcome. We examined the utility of serial circulating tumor DNA (ctDNA) testing for predicting pCR and risk of metastatic recurrence.Cell-free DNA (cfDNA) was isolated from 291 plasma samples of 84 high-risk early breast cancer patients treated in the neoadjuvant I-SPY 2 TRIAL with standard NAC alone or combined with MK-2206 (AKT inhibitor) treatment. Blood was collected at pretreatment (T0), 3 weeks after initiation of paclitaxel (T1), between paclitaxel and anthracycline regimens (T2), or prior to surgery (T3). A personalized ctDNA test was designed to detect up to 16 patient-specific mutations (from whole-exome sequencing of pretreatment tumor) in cfDNA by ultra-deep sequencing. The median follow-up time for survival analysis was 4.8 years.At T0, 61 of 84 (73%) patients were ctDNA positive, which decreased over time (T1: 35%; T2: 14%; and T3: 9%). Patients who remained ctDNA positive at T1 were significantly more likely to have residual disease after NAC (83% non-pCR) compared with those who cleared ctDNA (52% non-pCR; odds ratio 4.33, P = 0.012). After NAC, all patients who achieved pCR were ctDNA negative (n = 17, 100%). For those who did not achieve pCR (n = 43), ctDNA-positive patients (14%) had a significantly increased risk of metastatic recurrence [hazard ratio (HR) 10.4; 95% confidence interval (CI) 2.3-46.6]; interestingly, patients who did not achieve pCR but were ctDNA negative (86%) had excellent outcome, similar to those who achieved pCR (HR 1.4; 95% CI 0.15-13.5).Lack of ctDNA clearance was a significant predictor of poor response and metastatic recurrence, while clearance was associated with improved survival even in patients who did not achieve pCR. Personalized monitoring of ctDNA during NAC of high-risk early breast cancer may aid in real-time assessment of treatment response and help fine-tune pCR as a surrogate endpoint of survival.

Somatic variants can be used as lineage markers for the phylogenetic reconstruction of cancer evolution. Since somatic phylogenetics is complicated by sample heterogeneity, novel specialized tree-building methods are required for cancer phylogeny reconstruction. We present LICHeE (Lineage Inference for Cancer Heterogeneity and Evolution), a novel method that automates the phylogenetic inference of cancer progression from multiple somatic samples. LICHeE uses variant allele frequencies of somatic single nucleotide variants obtained by deep sequencing to reconstruct multi-sample cell lineage trees and infer the subclonal composition of the samples. LICHeE is open source and available at http://viq854.github.io/lichee .