Characteristics of circulating-tumor DNA in non-metastatic clear cell renal cell carcinoma

Abstract

"Background: Clear cell renal cell carcinoma (ccRCC) is the most common subtype of renal cell carcinoma. Circulating-tumor DNA (ctDNA) has emerged as a biomarker which complements or acts as an alternative to renal mass biopsy. However, the characteristics of ctDNA have not been elucidated in non-metastatic ccRCC, especially with small tumors. Methods: Plasma was preoperatively collected from 120 patients who underwent surgical resection for suspected kidney cancer. Samples of ccRCC were sequenced using next-generation sequencing and sequenced data were analyzed using the Pi-Seq algorithm (Dxome, Sungnam, Korea). The characteristics of ctDNA were compared between non-metastatic ccRCC and metastatic ccRCC. Non-metastatic ccRCC was stratified according to pathological T (pT) stage into pT1a and pT1b-3a, and associations with ctDNA were further investigated. The detection rate, variant allele frequency, and proportion of genes with ctDNA were evaluated. ctDNA was investigated in association with several clinicopathological features of ccRCC. The positive concordance of somatic variants between plasma and matched tissue was evaluated. Results: Of the 120 patients included in this study, 90 were diagnosed with ccRCC, 20 were diagnosed with non-ccRCC, and 10 were diagnosed with benign tumors. Among the 90 patients with ccRCC, 15 were excluded based on their medical history; and of the remaining 75 patients, non-metastatic ccRCC was confirmed in 67 patients. Most non-metastatic ccRCC cases (79.1%) were classified as pT1a ccRCC. Detection rates of ctDNA were 26.9% and 75.0% in non-metastatic and metastatic ccRCC, respectively. The detection rate of non-metastatic ccRCC showed a tendency to increase as the tumor size increased. The detection rate of ctDNA in pT1a ccRCC was 22.6%. Median variant allele frequencies of ctDNA were 0.351% and 1.168% in non-metastatic and metastatic ccRCC, respectively. The proportion of genes with ctDNA in non-metastatic ccRCC was different from that of metastatic ccRCC. VHL, PBRM1, SETD2, and BAP1 were frequently detected in metastatic ccRCC while NF1, TP53, and KDM6A were frequently detected in non-metastatic ccRCC. ctDNA detection in non-metastatic ccRCC was associated with tumor sizes and patient age, but not with tumor grade. ctDNA was frequently detected when lymphovascular invasion, fat tissue invasion, or venous tumor thrombus were concurrently observed, but the associations were not statistically significant. Positive concordance between ctDNA and matched tissue was poor in non-metastatic ccRCC. Conclusions: The characteristics of ctDNA in non-metastatic ccRCC were explored, with particular attention on small-sized pT1a ccRCC. Low detection rate, low variant allele frequency, and different proportion of genes with ctDNA were demonstrated in non-metastatic ccRCC compared with metastatic ccRCC. ctDNA was associated with tumor size and patient age in non-metastatic ccRCC. However, the relationship between ctDNA and tumor grade was not clear. Possible variants of clonal hematopoiesis were not filtered, which was a limitation of this study. A prospective study is required to demonstrate the clinical significance of ctDNA in non-metastatic ccRCC. Improvement of the sensitivity of ctDNA analysis and filtration of clonal hematopoiesis may advance the clinical utility of ctDNA.

연구배경: 투명세포 신세포암 (clear cell renal cell carcinoma; ccRCC) 은 신세포암에서 가장 많이 발견되는 유형이다. 순환종양 DNA (circulating-tumor DNA; ctDNA) 는 신장 종괴 생검을 대체하거나 보완할 수 있는 바이오마커 중 하나로 대두되고 있다. 그러나 비전이성 ccRCC 에서, 특히 작은 사이즈의 암종에서의, ctDNA 의 특성은 아직 밝혀지지 않았다. 연구방법: 신장암이 의심되는 종괴에 대하여 외과적 절제를 받은 120명의 환자로부터 수술 전에 혈장을 수집하였다. 그 중 ccRCC 환자의 혈장으로부터 추출한 DNA 를 차세대 시퀀싱 (Next-generation sequencing) 기술을 사용하여 시퀀싱 하였으며 Pi-Seq 알고리즘 (Dxome, 성남, 대한민국) 을 사용하여 ctDNA 를 분석하였다. 비전이성 ccRCC 의 ctDNA 의 특성은 전이성 ccRCC 와 비교되었다. 비전이성 ccRCC 를 pT1a 군과 pT1b-3a 군으로 나누어 ctDNA 와 연관된 조사를 추가적으로 실시하였다. 검출률, 변이의 대립유전자 빈도 및 ctDNA 가 검출된 유전자의 빈도가 평가되었다. ctDNA 는 여러 임상병리학적 특징과 연관되어 조사되었다. 혈장과 매칭된 조직 사이의 체세포 변이의 양성 일치성을 평가하였다. 연구결과: 120명의 환자 중 90명은 ccRCC, 20명은 non-ccRCC 그리고 10명은 양성 종양 환자였다. ccRCC 환자 중 15명의 환자는 특정 과거력으로 인해 연구에서 제외되었다. 75명의 ccRCC 환자 중 67명이 비전이성 환자로 확인되었다. 비전이성 ccRCC 의 대부분은 병리학적 T 단계 1a로 분류되었다 (79.1%). ctDNA 의 검출률은 비전이성과 전이성 ccRCC 에서 각각 26.9%와 75.0% 였으며, 비전이성 ccRCC 에서는 종양의 크기가 커질수록 ctDNA 검출률이 증가하는 경향을 보였다. pT1a ccRCC 의 경우 ctDNA 검출률이 22.6% 였다. 변이 대립유전자 빈도의 중간값은 비전이성과 전이성 ccRCC 에서 각각 0.351% 와 1.168% 였다. 비전이성 ccRCC 에서 ctDNA 가 검출된 유전자의 빈도는 VHL, PBRM1, SETD2 그리고 BAP1 이 주로 관찰되는 전이성 ccRCC 와는 차이가 있었다. NF1, TP53 그리고 KDM6A 가 비전이성 ccRCC 에서 자주 관찰되었다. 비전이성 ccRCC 에서 ctDNA 검출은 종양의 크기와 환자의 나이와 연관되었으며 종양의 등급과는 관련이 없었다. ctDNA 는 림프혈관계 침범, 지방조직침범 그리고 정맥종양혈전이 발견되는 경우에서 더 자주 관찰되었으나 통계학적인 차이는 없었다. 비전이성 ccRCC 에서 ctDNA 와 매칭된 조직 간의 양성 일치성은 좋지 않았다. 결론: 비전이성 ccRCC, 특히 pT1a 에 해당하는 작은 크기의 ccRCC 에 대하여 ctDNA 의 특성을 탐색하였다. 낮은 검출률, 변이의 낮은 대립유전자 빈도 그리고 전이성 ccRCC 와 다른 ctDNA 유전자 비율이 나타났다. 비전이성 암에서 ctDNA 는 종양의 크기 및 환자 나이와 연관되었으나 종양의 등급과는 그 관계가 불명확하였다. 여과되지 않은 클론 조혈 가능성이 있는 변이는 분석에서 고려되지 않았으며, 이는 이 연구의 한계 중 하나로 생각된다. 비전이성 ccRCC 에서 ctDNA 의 임상적 유용성을 입증하기 위해 전향적 연구가 실시되어야 한다. 민감도 개선 및 클론 조혈 변이 배제는 ctDNA 분석의 임상적 유용성을 향상시킬 것으로 사료된다."