In humans, TGFβ signalling is associated with lack of response to immunotherapy in immune-excluded tumours; in mouse models of this immune phenotype, robust tumour infiltration by T cells and tumour regression are observed only when checkpoint inhibition is combined with inhibition of TGFβ signalling. Immune checkpoint blockade is showing clinical promise in the treatment of several cancer types, but the determinants of response need to be better established. Sanjeev Mariathasan and colleagues show that specific immune cell phenotypes and a high neoantigen burden are predictors of good responses to therapy with atezolizumab, an anti-PD-L1 agent, in patients with metastatic urothelial carcinoma. Lack of response to therapy is associated with increased TGFβ signalling in fibroblasts in the tumour microenvironment. Combining TGFβ blockade with immune checkpoint blockade in mouse models increases the anti-tumour efficacy of the therapy, suggesting that identifying and targeting microenvironmental regulators of anti-tumour immunity may increase the reach of immunotherapy approaches. Therapeutic antibodies that block the programmed death-1 (PD-1)–programmed death-ligand 1 (PD-L1) pathway can induce robust and durable responses in patients with various cancers, including metastatic urothelial cancer1,2,3,4,5. However, these responses only occur in a subset of patients. Elucidating the determinants of response and resistance is key to improving outcomes and developing new treatment strategies. Here we examined tumours from a large cohort of patients with metastatic urothelial cancer who were treated with an anti-PD-L1 agent (atezolizumab) and identified major determinants of clinical outcome. Response to treatment was associated with CD8+ T-effector cell phenotype and, to an even greater extent, high neoantigen or tumour mutation burden. Lack of response was associated with a signature of transforming growth factor β (TGFβ) signalling in fibroblasts. This occurred particularly in patients with tumours, which showed exclusion of CD8+ T cells from the tumour parenchyma that were instead found in the fibroblast- and collagen-rich peritumoural stroma; a common phenotype among patients with metastatic urothelial cancer. Using a mouse model that recapitulates this immune-excluded phenotype, we found that therapeutic co-administration of TGFβ-blocking and anti-PD-L1 antibodies reduced TGFβ signalling in stromal cells, facilitated T-cell penetration into the centre of tumours, and provoked vigorous anti-tumour immunity and tumour regression. Integration of these three independent biological features provides the best basis for understanding patient outcome in this setting and suggests that TGFβ shapes the tumour microenvironment to restrain anti-tumour immunity by restricting T-cell infiltration.

Patients with advanced urothelial carcinoma that progresses after platinum-based chemotherapy have a poor prognosis and limited treatment options.In this open-label, international, phase 3 trial, we randomly assigned 542 patients with advanced urothelial cancer that recurred or progressed after platinum-based chemotherapy to receive pembrolizumab (a highly selective, humanized monoclonal IgG4κ isotype antibody against programmed death 1 [PD-1]) at a dose of 200 mg every 3 weeks or the investigator's choice of chemotherapy with paclitaxel, docetaxel, or vinflunine. The coprimary end points were overall survival and progression-free survival, which were assessed among all patients and among patients who had a tumor PD-1 ligand (PD-L1) combined positive score (the percentage of PD-L1-expressing tumor and infiltrating immune cells relative to the total number of tumor cells) of 10% or more.The median overall survival in the total population was 10.3 months (95% confidence interval [CI], 8.0 to 11.8) in the pembrolizumab group, as compared with 7.4 months (95% CI, 6.1 to 8.3) in the chemotherapy group (hazard ratio for death, 0.73; 95% CI, 0.59 to 0.91; P=0.002). The median overall survival among patients who had a tumor PD-L1 combined positive score of 10% or more was 8.0 months (95% CI, 5.0 to 12.3) in the pembrolizumab group, as compared with 5.2 months (95% CI, 4.0 to 7.4) in the chemotherapy group (hazard ratio, 0.57; 95% CI, 0.37 to 0.88; P=0.005). There was no significant between-group difference in the duration of progression-free survival in the total population (hazard ratio for death or disease progression, 0.98; 95% CI, 0.81 to 1.19; P=0.42) or among patients who had a tumor PD-L1 combined positive score of 10% or more (hazard ratio, 0.89; 95% CI, 0.61 to 1.28; P=0.24). Fewer treatment-related adverse events of any grade were reported in the pembrolizumab group than in the chemotherapy group (60.9% vs. 90.2%); there were also fewer events of grade 3, 4, or 5 severity reported in the pembrolizumab group than in the chemotherapy group (15.0% vs. 49.4%).Pembrolizumab was associated with significantly longer overall survival (by approximately 3 months) and with a lower rate of treatment-related adverse events than chemotherapy as second-line therapy for platinum-refractory advanced urothelial carcinoma. (Funded by Merck; KEYNOTE-045 ClinicalTrials.gov number, NCT02256436 .).

We describe results from IMmotion150, a randomized phase 2 study of atezolizumab (anti-PD-L1) alone or combined with bevacizumab (anti-VEGF) versus sunitinib in 305 patients with treatment-naive metastatic renal cell carcinoma. Co-primary endpoints were progression-free survival (PFS) in intent-to-treat and PD-L1+ populations. Intent-to-treat PFS hazard ratios for atezolizumab + bevacizumab or atezolizumab monotherapy versus sunitinib were 1.0 (95% confidence interval (CI), 0.69–1.45) and 1.19 (95% CI, 0.82–1.71), respectively; PD-L1+ PFS hazard ratios were 0.64 (95% CI, 0.38–1.08) and 1.03 (95% CI, 0.63–1.67), respectively. Exploratory biomarker analyses indicated that tumor mutation and neoantigen burden were not associated with PFS. Angiogenesis, T-effector/IFN-γ response, and myeloid inflammatory gene expression signatures were strongly and differentially associated with PFS within and across the treatments. These molecular profiles suggest that prediction of outcomes with anti-VEGF and immunotherapy may be possible and offer mechanistic insights into how blocking VEGF may overcome resistance to immune checkpoint blockade. An exploratory randomized controlled clinical trial of renal cell carcinoma identifies molecular patterns distinguishing responders to immune checkpoint blockade alone or combined with angiogenesis inhibitor versus angiogenesis inhibitor alone.

PD-L1 on the surface of tumor cells binds its receptor PD-1 on effector T cells, thereby suppressing their activity. Antibody blockade of PD-L1 can activate an anti-tumor immune response leading to durable remissions in a subset of cancer patients. Here, we describe an alternative mechanism of PD-L1 activity involving its secretion in tumor-derived exosomes. Removal of exosomal PD-L1 inhibits tumor growth, even in models resistant to anti-PD-L1 antibodies. Exosomal PD-L1 from the tumor suppresses T cell activation in the draining lymph node. Systemically introduced exosomal PD-L1 rescues growth of tumors unable to secrete their own. Exposure to exosomal PD-L1-deficient tumor cells suppresses growth of wild-type tumor cells injected at a distant site, simultaneously or months later. Anti-PD-L1 antibodies work additively, not redundantly, with exosomal PD-L1 blockade to suppress tumor growth. Together, these findings show that exosomal PD-L1 represents an unexplored therapeutic target, which could overcome resistance to current antibody approaches.

Immune responses involve coordination across cell types and tissues. However, studies in cancer immunotherapy have focused heavily on local immune responses in the tumor microenvironment. To investigate immune activity more broadly, we performed an organism-wide study in genetically engineered cancer models using mass cytometry. We analyzed immune responses in several tissues after immunotherapy by developing intuitive models for visualizing single-cell data with statistical inference. Immune activation was evident in the tumor and systemically shortly after effective therapy was administered. However, during tumor rejection, only peripheral immune cells sustained their proliferation. This systemic response was coordinated across tissues and required for tumor eradication in several immunotherapy models. An emergent population of peripheral CD4 T cells conferred protection against new tumors and was significantly expanded in patients responding to immunotherapy. These studies demonstrate the critical impact of systemic immune responses that drive tumor rejection.

While mutations affecting protein-coding regions have been examined across many cancers, structural variants at the genome-wide level are still poorly defined. Through integrative deep whole-genome and -transcriptome analysis of 101 castration-resistant prostate cancer metastases (109X tumor/38X normal coverage), we identified structural variants altering critical regulators of tumorigenesis and progression not detectable by exome approaches. Notably, we observed amplification of an intergenic enhancer region 624 kb upstream of the androgen receptor (AR) in 81% of patients, correlating with increased AR expression. Tandem duplication hotspots also occur near MYC, in lncRNAs associated with post-translational MYC regulation. Classes of structural variations were linked to distinct DNA repair deficiencies, suggesting their etiology, including associations of CDK12 mutation with tandem duplications, TP53 inactivation with inverted rearrangements and chromothripsis, and BRCA2 inactivation with deletions. Together, these observations provide a comprehensive view of how structural variations affect critical regulators in metastatic prostate cancer.

Most tumor-associated antigens represent self-proteins and as a result are poorly immunogenic due to immune tolerance. Here we show that tolerance to carcinoembryonic antigen (CEA), which is overexpressed by the majority of lethal malignancies, can be reversed by immunization with a CEA-derived peptide. This peptide was altered to make it a more potent T cell antigen and loaded onto dendritic cells (DCs) for delivery as a cellular vaccine. Although DCs are rare in the blood, we found that treatment of advanced cancer patients with Flt3 ligand, a hematopoietic growth factor, expanded DCs 20-fold in vivo . Immunization with these antigen-loaded DCs induced CD8 cytotoxic T lymphocytes that recognized tumor cells expressing endogenous CEA. Staining with peptide-MHC tetramers demonstrated the expansion of CD8 T cells that recognize both the native and altered epitopes and possess an effector cytotoxic T lymphocyte phenotype (CD45RA + CD27 − CCR7 − ). After vaccination, two of 12 patients experienced dramatic tumor regression, one patient had a mixed response, and two had stable disease. Clinical response correlated with the expansion of CD8 tetramer + T cells, confirming the role of CD8 T cells in this treatment strategy.

Responses to anti-PD-1 immunotherapy occur but are infrequent in bladder cancer. The specific T cells that mediate tumor rejection are unknown. T cells from human bladder tumors and non-malignant tissue were assessed with single-cell RNA and paired T cell receptor (TCR) sequencing of 30,604 T cells from 7 patients. We find that the states and repertoires of CD8+ T cells are not distinct in tumors compared with non-malignant tissues. In contrast, single-cell analysis of CD4+ T cells demonstrates several tumor-specific states, including multiple distinct states of regulatory T cells. Surprisingly, we also find multiple cytotoxic CD4+ T cell states that are clonally expanded. These CD4+ T cells can kill autologous tumors in an MHC class II-dependent fashion and are suppressed by regulatory T cells. Further, a gene signature of cytotoxic CD4+ T cells in tumors predicts a clinical response in 244 metastatic bladder cancer patients treated with anti-PD-L1.

Blockade of the T-cell inhibitory receptor CTL-associated antigen-4 (CTLA-4) augments and prolongs T-cell responses and is a strategy to elicit antitumor immunity. The objectives of this pilot study were to establish the pharmacokinetic and safety profile for a single dose of 3 mg/kg of the anti-CTLA-4 antibody Ipilimumab (MDX-010, BMS-734016) and to assess if this therapy resulted in prostate-specific antigen (PSA) modulation and the development of polyclonal T-cell activation and/or clinical autoimmunity in patients with hormone-refractory prostate cancer treated with Ipilimumab.Patients with metastatic hormone-refractory prostate cancer received a single 3 mg/kg i.v. dose of Ipilimumab. Serologic measures of autoimmunity were obtained, and T-cell activation was evaluated by flow cytometry. Pharmacokinetic sampling of plasma for MDX-CTLA-4, PSA measurement, and diagnostic imaging were also undertaken.Fourteen patients were treated: 12 patients received a single dose of Ipilimumab, and 2 patients were re-treated with a second dose upon PSA progression. Two patients showed PSA declines of > or =50%. Treatment was well tolerated with clinical autoimmunity limited to one patient who developed grade 3 rash/pruritus requiring systemic corticosteroids. The mean +/- SD Ipilimumab terminal elimination half-life was 12.5 +/- 5.3 days.A single dose of 3 mg/kg Ipilimumab, an anti-CTLA-4 antibody, given to patients with prostate cancer is safe and does not result in significant clinical autoimmunity. PSA-modulating effects observed warrant further investigation.