Genomic characterisation of brain malignancies through liquid biopsies: The cerebrospinal fluid-derived circulating tumour DNA better represents the genomic alterations of brain tumours than plasma

Abstract

Los recientes avances en la secuenciación masiva en paralelo y en las técnicas genómicas digitales apoyan la validez clínica del ADN libre tumoral circulante (ctDNA) como una "biopsia líquida” en el cáncer humano. La presencia de ctDNA en el plasma puede ser útil para identificar alteraciones genómicas, monitorizar la respuesta al tratamiento, identificar la resistencia terapéutica, y potencialmente caracterizar la heterogeneidad del tumor. El estudio de prueba de concepto en el campo de las biopsias líquidas titulado “Capturing intra-tumor genetic heterogeneity by de novo mutation profiling of circulating cell-free tumor DNA: a proof-of-principle” publicado en la revista Annals of Oncology en julio de 2014, es el artículo complementario analizado en esta tesis. Este artículo es uno de los primeros en demostrar que la secuenciación masiva en paralelo del ctDNA derivado del plasma constituye una herramienta potencial para la identificación y el seguimiento de las alteraciones genómicas somáticas durante el curso de la terapia dirigida, y que esta herramienta no invasiva se puede emplear para superar los retos planteados por la heterogeneidad del tumor. El ctDNA derivado del plasma ha demostrado ser capaz de identificar las alteraciones genómicas de los pacientes con cáncer. Sin embargo, los pacientes con tumores cerebrales tienen cantidades bajas o indetectables de ctDNA en el plasma lo que excluye la caracterización genómica del cáncer de cerebro a través del ctDNA en el plasma. La prueba de concepto en el campo de las biopsias líquidas del sistema nervioso central, que es el artículo fundamental analizado en este tesis: “Cerebrospinal fluid-derived circulating tumour DNA better represents the genomic alterations of brain tumours than plasma”, fue publicado en Nature Communications en noviembre de 2015. El ctDNA derivado de tumores malignos del sistema nervioso central primario y secundario esta enriquecido en el líquido cefalorraquídeo (LCR) y retrata las alteraciones genómicas de las enfermedades del sistema nervioso central mejor que el plasma. Los niveles de CSF ctDNA fluctúan longitudinalmente en el tiempo y siguen los cambios en la carga tumoral cerebral, proporcionando biomarcadores para monitorizar los canceres cerebrales. Además, el LCR ctDNA ha demostrado facilitar y complementar el diagnóstico del carcinomatosis leptomeníngea. El ctDNA presente en el LCR de neoplasias cerebrales y el ctDNA presente en el plasma de los cánceres de mama con metástasis sistémicas extra-craneales podría ser utilizado para caracterizar las alteraciones genómicas de las metastasis de estos cánceres. El uso de los CSF ctDNA representa una herramienta mínimamente invasiva que puede cambiar el paradigma para el manejo clínico de los pacientes con tumores malignos en el sistema nervioso central. Las biopsias líquidas tienen el potencial de proporcionar la información genómica completa del tumor, secuencial y en tiempo real y que permitirá mejorar el manejo terapéutico de los pacientes con cáncer.

Recent developments in massively parallel sequencing and digital genomic techniques support the clinical validity of cell-free circulating tumour DNA (ctDNA) as a ‘liquid biopsy’ in human cancer. ctDNA in plasma may be useful to identify actionable genomic alterations, monitor treatment responses, unravel therapeutic resistance, and potentially to characterise tumour heterogeneity. The proof-of-principle study in the field of liquid biopsies, which is the ancillary article analysed in this thesis entitled: “Capturing intra-tumor genetic heterogeneity by de novo mutation profiling of circulating cell-free tumor DNA: a proof-of-principle” was published in Annals of Oncology in July 2014. This article is one of the first to demonstrate that high-depth targeted massively parallel sequencing of plasma-derived ctDNA constitutes a potential tool for de novo mutation identification and monitoring of somatic genomic alterations during the course of targeted therapy. This article demonstrated that plasma ctDNA may be employed to overcome the challenges posed by tumour heterogeneity. Plasma-derived ctDNA has been shown to be informative of the genomic alterations of patients with cancers. Nevertheless, patients with brain tumours have low or undetectable amounts of ctDNA in plasma precluding the genomic characterisation of brain cancer through plasma ctDNA. The proof-of-principle in the field of central nervous system liquid biopsies, which the fundamental article analysed in this thesis entitled: “Cerebrospinal fluid-derived circulating tumour DNA better represents the genomic alterations of brain tumours than plasma” was published in Nature Communications in November 2015. ctDNA derived from primary and secondary central nervous system malignancies was shown to be more abundantly present in the cerebrospinal fluid (CSF) than in plasma and it portrayed the genomic alterations of central nervous system disease better than plasma. CSF ctDNA levels longitudinally fluctuated in time and followed the changes in brain tumour burden providing biomarkers to monitor brain malignancies. Additionally, CSF ctDNA was shown to facilitate and complement the diagnosis of leptomeningeal carcinomatosis. Taken together, ctDNA present in the CSF of brain malignancies and ctDNA present in the plasma of breast cancers with extra-cranial systemic metastases may be used to characterise metastasis-specific genomic alterations. CSF ctDNA represents a minimally invasive tool that may change the paradigm for the clinical management of cancer patients with central nervous system malignancies. Liquid biopsies have the potential to provide comprehensive, sequential and real-time tumour-derived genomic information that will improve the therapeutic management of cancer patients.