Abstract The receptor binding domain (RBD) of the SARS-CoV-2 virus spike protein has emerged as a promising target for generation of neutralizing antibodies. Although the RBD subunit is more stable than its encoding mRNA, RBD-based subunit vaccines have been hampered by RBD’s poor immunogenicity. We hypothesize that this limitation can be overcome by sustained co-administration with a more potent and optimized adjuvant than standard adjuvants. The endogenous innate immune second messenger, cGAMP, holds promise as potent activator of the anti-viral STING pathway. Unfortunately, delivery of cGAMP as a therapeutic exhibits poor performance due to poor pharmacokinetics and pharmacodynamics from rapid excretion and degradation by its hydrolase ENPP1. To overcome these limitations, we sought to create an artificial immunological niche enabling slow release of cGAMP and RBD to mimic natural infections in which immune activating molecules are co-localized with antigen. Specifically, we co-encapsulated cGAMP and RBD in an injectable polymer-nanoparticle (PNP) hydrogel. This cGAMP-adjuvanted hydrogel vaccine elicited more potent, durable, and broad antibody responses with improved neutralization as compared to dose-matched bolus controls and hydrogel-based vaccines lacking cGAMP. The cGAMP-adjuvanted hydrogel platform developed is suitable for delivery of other antigens and may provide enhanced immunity against a broad range of pathogens.

Abstract cGAMP is a second messenger that is synthesized in the cytosol upon detection of cytosolic dsDNA and passed between cells to facilitate downstream immune signaling. ENPP1, an extracellular enzyme, was the only metazoan cGAMP hydrolase known to regulate cGAMP levels to dampen anti-cancer immunity. Here, we uncover ENPP3 as the second and only other metazoan cGAMP hydrolase under homeostatic conditions. ENPP3 has a tissue expression pattern distinct from that of ENPP1 and accounts for all remaining cGAMP hydrolysis activity in mice lacking ENPP1. Importantly, we also show that as with ENPP1, selectively abolishing ENPP3’s cGAMP hydrolase activity results in diminished cancer growth and metastasis of certain tumor types. Both ENPP1 and ENPP3 are extracellular enzymes, suggesting the dominant role that extracellular cGAMP must play as a mediator of cell-cell innate immune communication. Our work clearly shows that ENPP1 and ENPP3 non-redundantly dampen extracellular cGAMP-STING signaling, pointing to ENPP3 as a new target for cancer immunotherapy.

Extracellular 2’3’-cyclic-GMP-AMP (cGAMP) is an immunotransmitter secreted by cancer cells and taken up by host cells to activate the anti-cancer STING pathway. No cGAMP exporter has been identified, and SLC19A1, a recently identified cGAMP importer, does not account for the import activity in most cell types. Here, we identify the LRRC8A:C heteromeric channel, a volume-regulated anion channel (VRAC), as a cGAMP transporter. This channel mediates cGAMP import or export depending on the cGAMP chemical gradient, and channel activation or inhibition modulates cGAMP transport. Other 2’3’-cyclic dinucleotides are also transported by LRRC8A:C channels, including the investigational cancer therapeutic ADU-S100. Furthermore, we demonstrate that the LRRC8A-containing channel is the dominant cGAMP importer in primary human vasculature cells. Given tumor vasculature’s regulation of immune infiltration and its disruption in response to STING agonists, we have uncovered a leading molecular mechanism for extracellular cGAMP signaling in this important anti-cancer target.

Abstract Cancer cells initiate an innate immune response by synthesizing and exporting the small molecule immunotransmitter cGAMP, which activates the anti-cancer Stimulator of Interferon Genes (STING) pathway in the host. An extracellular enzyme, ectonucleotide pyrophosphatase phosphodiesterase 1 (ENPP1), hydrolyzes cGAMP and negatively regulates this anti-cancer immune response. Small molecule ENPP1 inhibitors are much needed as tools to study basic biology of extracellular cGAMP and as investigational cancer immunotherapy drugs. Here, we surveyed structure-activity relationships around a series of cell-impermeable and thus extracellular-targeting phosphonate inhibitors of ENPP1. Additionally, we solved the crystal structure of an exemplary phosphonate inhibitor to elucidate the interactions that drive potency. This study yielded several best-in-class compounds with K i < 2 nM and excellent physicochemical and pharmacokinetic properties. Finally, we demonstrate that an ENPP1 inhibitor delays tumor growth in a breast cancer mouse model. Together, we have developed ENPP1 inhibitors that are excellent tool compounds and potential therapeutics.

The receptor‐binding domain (RBD) of the SARS‐CoV‐2 virus spike protein has emerged as a promising target for the generation of neutralizing antibodies. Although the RBD subunit is more stable than its encoding mRNA, RBD is poorly immunogenic. It is hypothesized that this limitation can be overcome by sustained coadministration with a more potent and optimized adjuvant than standard adjuvants. One such candidate adjuvant, cGAMP, exhibits promising potency via activation of the antiviral STING pathway. Unfortunately, delivery of cGAMP as a therapeutic exhibits poor performance due to poor pharmacokinetics and pharmacodynamics from rapid excretion and degradation. To overcome these limitations, it is sought to create an artificial immunological niche enabling the slow release of cGAMP and RBD to mimic natural infections in which immune‐activating molecules are colocalized with antigen. Specifically, through coencapsulation of cGAMP and RBD in an injectable polymer‐nanoparticle (PNP) hydrogel, the cGAMP‐adjuvanted hydrogel vaccine elicits more potent, durable, and broad antibody responses with improved neutralization as compared to dose‐matched bolus controls and hydrogel‐based vaccines lacking cGAMP. The cGAMP‐adjuvanted hydrogel platform can be further explored for the delivery of other antigens to enhance immunity against a broad range of pathogens.

2’3’-cyclic GMP-AMP (cGAMP) is characterized as an intracellular second messenger that is synthesized in response to cytosolic dsDNA and activates the innate immune STING pathway. Our previous discovery of its extracellular hydrolase ENPP1 hinted at the existence of extracellular cGAMP. Here, using mass spectrometry, we detected that cGAMP is continuously exported as a soluble factor by an engineered cell line but then efficiently cleared by ENPP1, explaining why it has escaped detection until now. By developing potent, specific, and cell impermeable ENPP1 inhibitors, we detected that cancer cells continuously export cGAMP in culture at steady state and at higher levels when treated with ionizing radiation (IR). In tumors, depletion of extracellular cGAMP using a neutralizing protein decreased tumor-associated immune cell infiltration in a tumor cGAS and host STING dependent manner. Depletion of extracellular cGAMP also abolished the curative effect of IR. Boosting extracellular cGAMP by ENPP1 inhibitors synergizes with IR to shrink tumors in mice. In conclusion, extracellular cGAMP is an anti-cancer immunotransmitter that could be stimulated and harnessed to treat less immunogenic cancers.