Androgen receptor (AR) gene aberrations are rare in prostate cancer before primary hormone treatment but emerge with castration resistance. To determine AR gene status using a minimally invasive assay that could have broad clinical utility, we developed a targeted next-generation sequencing approach amenable to plasma DNA, covering all AR coding bases and genomic regions that are highly informative in prostate cancer. We sequenced 274 plasma samples from 97 castration-resistant prostate cancer patients treated with abiraterone at two institutions. We controlled for normal DNA in patients' circulation and detected a sufficiently high tumor DNA fraction to quantify AR copy number state in 217 samples (80 patients). Detection of AR copy number gain and point mutations in plasma were inversely correlated, supported further by the enrichment of nonsynonymous versus synonymous mutations in AR copy number normal as opposed to AR gain samples. Whereas AR copy number was unchanged from before treatment to progression and no mutant AR alleles showed signal for acquired gain, we observed emergence of T878A or L702H AR amino acid changes in 13% of tumors at progression on abiraterone. Patients with AR gain or T878A or L702H before abiraterone (45%) were 4.9 and 7.8 times less likely to have a ≥50 or ≥90% decline in prostate-specific antigen (PSA), respectively, and had a significantly worse overall [hazard ratio (HR), 7.33; 95% confidence interval (CI), 3.51 to 15.34; P = 1.3 × 10(-9)) and progression-free (HR, 3.73; 95% CI, 2.17 to 6.41; P = 5.6 × 10(-7)) survival. Evaluation of plasma AR by next-generation sequencing could identify cancers with primary resistance to abiraterone.

BackgroundThere is an urgent need to identify biomarkers to guide personalized therapy in castration-resistant prostate cancer (CRPC). We aimed to clinically qualify androgen receptor (AR) gene status measurement in plasma DNA using multiplex droplet digital PCR (ddPCR) in pre- and post-chemotherapy CRPC.MethodsWe optimized ddPCR assays for AR copy number and mutations and retrospectively analyzed plasma DNA from patients recruited to one of the three biomarker protocols with prospectively collected clinical data. We evaluated associations between plasma AR and overall survival (OS) and progression-free survival (PFS) in 73 chemotherapy-naïve and 98 post-docetaxel CRPC patients treated with enzalutamide or abiraterone (Primary cohort) and 94 chemotherapy-naïve patients treated with enzalutamide (Secondary cohort; PREMIERE trial).ResultsIn the primary cohort, AR gain was observed in 10 (14%) chemotherapy-naïve and 33 (34%) post-docetaxel patients and associated with worse OS [hazard ratio (HR), 3.98; 95% CI 1.74–9.10; P < 0.001 and HR 3.81; 95% CI 2.28–6.37; P < 0.001, respectively], PFS (HR 2.18; 95% CI 1.08–4.39; P = 0.03, and HR 1.95; 95% CI 1.23–3.11; P = 0.01, respectively) and rate of PSA decline ≥50% [odds ratio (OR), 4.7; 95% CI 1.17–19.17; P = 0.035 and OR, 5.0; 95% CI 1.70–14.91; P = 0.003, respectively]. AR mutations [2105T>A (p.L702H) and 2632A>G (p.T878A)] were observed in eight (11%) post-docetaxel but no chemotherapy-naïve abiraterone-treated patients and were also associated with worse OS (HR 3.26; 95% CI 1.47–not reached; P = 0.004). There was no interaction between AR and docetaxel status (P = 0.83 for OS, P = 0.99 for PFS). In the PREMIERE trial, 11 patients (12%) with AR gain had worse PSA-PFS (sPFS) (HR 4.33; 95% CI 1.94–9.68; P < 0.001), radiographic-PFS (rPFS) (HR 8.06; 95% CI 3.26–19.93; P < 0.001) and OS (HR 11.08; 95% CI 2.16–56.95; P = 0.004). Plasma AR was an independent predictor of outcome on multivariable analyses in both cohorts.ConclusionPlasma AR status assessment using ddPCR identifies CRPC with worse outcome to enzalutamide or abiraterone. Prospective evaluation of treatment decisions based on plasma AR is now required.Clinical Trial numberNCT02288936 (PREMIERE trial).