Significance Programmed cell death protein-1 (PD-1) and programmed cell death ligand-1 (PD-L1) are key targets in the treatment of cancer, but current antibody-based drugs against this pathway have inherent drawbacks that may limit their effectiveness. We used directed evolution with yeast display to engineer a nonantibody biologic based on the ectodomain of PD-1. High-affinity PD-1 was more effective than anti–PD-L1 antibodies in the treatment of mouse tumor models and could additionally be used as a PET imaging tracer to noninvasively assess the PD-L1 expression status of tumors. This engineered protein thus represents an agent useful for clinical translation and highlights the paradigm of small protein biologics for future drug development.

It has recently become apparent that the immune system can cure cancer. In some of these strategies, the antigen targets are preidentified and therapies are custom-made against these targets. In others, antibodies are used to remove the brakes of the immune system, allowing preexisting T cells to attack cancer cells. We have used another noncustomized approach called in situ vaccination. Immunoenhancing agents are injected locally into one site of tumor, thereby triggering a T cell immune response locally that then attacks cancer throughout the body. We have used a screening strategy in which the same syngeneic tumor is implanted at two separate sites in the body. One tumor is then injected with the test agents, and the resulting immune response is detected by the regression of the distant, untreated tumor. Using this assay, the combination of unmethylated CG-enriched oligodeoxynucleotide (CpG)-a Toll-like receptor 9 (TLR9) ligand-and anti-OX40 antibody provided the most impressive results. TLRs are components of the innate immune system that recognize molecular patterns on pathogens. Low doses of CpG injected into a tumor induce the expression of OX40 on CD4+ T cells in the microenvironment in mouse or human tumors. An agonistic anti-OX40 antibody can then trigger a T cell immune response, which is specific to the antigens of the injected tumor. Remarkably, this combination of a TLR ligand and an anti-OX40 antibody can cure multiple types of cancer and prevent spontaneous genetically driven cancers.

Abstract Multiplexed immunofluorescence imaging enables high-dimensional molecular profiling at subcellular resolution. However, learning disease-relevant cellular environments from these rich imaging data is an open challenge. We developed SPAtial CEllular Graphical Modeling (SPACE-GM), a geometric deep learning framework that flexibly models tumor microenvironments (TMEs) as cellular graphs. We applied SPACE-GM to 658 head-and-neck and colorectal human cancer samples assayed with 40-plex immunofluorescence imaging to identify spatial motifs associated with cancer recurrence and patient survival after immunotherapy. SPACE-GM is substantially more accurate in predicting patient outcomes than previous approaches for modeling spatial data using neighborhood cell-type compositions. Computational interpretation of the disease-relevant microenvironments identified by SPACE-GM generates insights into the effect of spatial dispersion of tumor cells and granulocytes on patient prognosis.

Abstract When properly deployed, the immune system can eliminate deadly pathogens, eradicate metastatic cancers, and provide long-lasting protection from diverse diseases. Unfortunately, realizing these remarkable capabilities is inherently risky as disruption to immune homeostasis can elicit dangerous complications or autoimmune disorders. While current research is continuously expanding the arsenal of potent immunotherapeutics, there is a technological gap when it comes to controlling when, where, and how long these drugs act on the body. Here, we explore the ability of a slow-releasing injectable hydrogel depot to reduce the problematic dose-limiting toxicities of immunostimulatory CD40 agonist (CD40a) while maintaining their potent anti-cancer efficacy. We leverage a previously described polymer-nanoparticle (PNP) hydrogel system that exhibits shear-thinning and yield-stress properties that we hypothesized would improve locoregional delivery of the CD40a immunotherapy. Using PET imaging, we demonstrate that prolonged hydrogel-based delivery redistributes CD40a exposure to the tumor and the tumor draining lymph node (TdLN), thereby reducing weight loss, hepatotoxicity, and cytokine storm associated with standard treatment. Moreover, CD40a-loaded hydrogels mediate improved local cytokine induction in the TdLN and improve treatment efficacy in the B16F10 melanoma model. PNP hydrogels, therefore, represent a facile, drug-agnostic method to ameliorate immune-related adverse effects and explore locoregional delivery of immunostimulatory drugs.

Heterogeneous resistance to immunotherapy remains a major challenge in cancer treatment, often leading to disease progression and death. Using CITE-seq and matched 40-plex PhenoCycler tissue imaging, we performed longitudinal multimodal single-cell analysis of tumors from metastatic melanoma patients with innate resistance, acquired resistance, or response to immunotherapy. We established the multimodal integration toolkit to align transcriptomic features, cellular epitopes, and spatial information to provide deeper insights into the tumors. With longitudinal analysis, we identified an "immune-striving" tumor microenvironment marked by peri-tumor lymphoid aggregates and low infiltration of T cells in the tumor and the emergence of MITF+SPARCL1+ and CENPF+ melanoma subclones after therapy. The enrichment of B cell-associated signatures in the molecular composition of lymphoid aggregates was associated with better survival. These findings provide further insights into the establishment of microenvironmental cell interactions and molecular composition of spatial structures that could inform therapeutic intervention.

ABSTRACT Aims/Hypothesis Diabetic kidney disease (DKD) remains a significant cause of morbidity and mortality in people with diabetes. Though animal models have taught us much about the molecular mechanisms of DKD, translating these findings to human disease requires greater knowledge of the molecular changes caused by diabetes in human kidneys. Establishing this knowledge base requires building carefully curated, reliable, and complete repositories of human kidney tissue, as well as tissue proteomics platforms capable of simultaneous, spatially resolved examination of multiple proteins. Methods We used the multiplexed immunofluorescence platform CO-Detection by indexing (CODEX) to image and analyze the expression of 21 proteins in 23 tissue sections from 12 individuals with diabetes and healthy kidneys (DM, 5 individuals), DKD classes IIA, and IIB (2 individuals per class), IIA-B intermediate (2 individuals), and III (one individual). Results Analysis of the 21-plex immunofluorescence images revealed 18 cellular clusters, corresponding to 10 known kidney compartments and cell types, including proximal tubules, distal nephron, podocytes, glomerular endothelial and peritubular capillaries, blood vessels, including endothelial cells and vascular smooth muscle cells, macrophages, cells of the myeloid lineage, broad CD45+ inflammatory cells and the basement membrane. DKD progression was associated with co-localized increase in collagen IV deposition and infiltration of inflammatory cells, as well as loss of native proteins of each nephron segment at variable rates. Compartment-specific cellular changes corroborated this general theme, with compartment-specific variations. Cell type frequency and cell-to-cell adjacency highlighted (statistically) significant increase in inflammatory cells and their adjacency to tubular and αSMA+ cells in DKD kidneys. Finally, DKD progression was marked by substantial regional variability within single tissue sections, as well as variability across patients within the same DKD class. The sizable intra-personal variability in DKD severity impacts pathologic classifications, and the attendant clinical decisions, which are usually based on small tissue biopsies. Conclusions/Interpretations High-plex immunofluorescence images revealed changes in protein expression corresponding to differences in cellular phenotypic composition and microenvironment structure with DKD progression. This initial dataset demonstrates the combined power of curated human kidney tissues, multiplexed immunofluorescence and powerful analysis tools in revealing pathophysiology of human DKD.

Abstract Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDA) patients have not yet benefitted from the revolution in cancer immunotherapy due in large part to the dominantly immunosuppressive tumor microenvironment (TME). MEK inhibition combined with autophagy inhibition leads to transient tumor responses in some PDA patients. We find that co-inhibition of MEK (using cobimetinib, COBI) and autophagy (using mefloquine, MFQ), but not either treatment alone, activates the Type I Interferon/STING pathway in tumor cells which in turn reprogram tumor associated macrophages (TAMs) in paracrine to foster an immunogenic switch. This effect is augmented by a CD40 agonist (aCD40). Triple therapy (COBI+MFQ+aCD40) achieved cytotoxic T cell activation in an immunologically “cold” mouse PDA model, leading to enhanced anti-tumor immunity. Collectively, MEK and autophagy co-inhibition coupled with CD40 agonism invokes immuno-reprograming and is an attractive therapeutic approach for PDA immunotherapy development.

Background. Kidney allograft rejections are orchestrated by a variety of immune cells. Because of the complex histopathologic features, accurate pathological diagnosis poses challenges even for expert pathologists. The objective of this study was to unveil novel spatial indices associated with transplant rejection by using a spatial bioinformatic approach using 36-plex immunofluorescence image data. Methods. The image obtained from 11 T cell-mediated rejection (TCMR) and 12 antibody-mediated rejection (AMR) samples were segmented into 753 737 single cells using DeepCell’s Mesmer algorithm. These cells were categorized into 13 distinct cell types through unsupervised clustering based on their biomarker expression profiles. Cell neighborhood analysis allowed us to stratify kidney tissue into 8 distinct neighborhood components consisting of unique cell type enrichment profiles. Results. In contrast to TCMR samples, AMR samples exhibited a higher frequency of neighborhood components that were characterized by an enrichment of CD31 + endothelial cells. Although the overall frequency of CD68 + macrophages in AMR samples was not significantly high, CD68 + macrophages within endothelial cell-rich lesions exhibited a significantly higher frequency in AMR samples than TCMR samples. Furthermore, the frequency of interactions between CD31 + cells and CD68 + cells was significantly increased in AMR samples, implying the pivotal role of macrophages in AMR pathogenesis. Importantly, patients demonstrating a high frequency of CD31:CD68 interactions experienced significantly poorer outcomes in terms of chronic AMR progression. Conclusions. Collectively, these data indicate the potential of spatial bioinformatic as a valuable tool for aiding in pathological diagnosis and for uncovering new insights into the mechanisms underlying transplant rejection.