Improving the efficacy of immune checkpoint therapies will require a better understanding of how immune cells are recruited and sustained in tumors. Here, we used the photoconversion of the tumor immune cell compartment to identify newly entering lymphocytes, determine how they change over time, and investigate their egress from the tumor. Combining single-cell transcriptomics and flow cytometry, we found that while a diverse mix of CD8 T cell subsets enter the tumor, all CD8 T cells retained within this environment for more than 72 h developed an exhausted phenotype, revealing the rapid establishment of this program. Rather than forming tumor-resident populations, non-effector subsets, which express TCF-1 and include memory and stem-like cells, were continuously recruited into the tumor, but this recruitment was balanced by concurrent egress to the tumor-draining lymph node. Thus, the TCF-1+ CD8 T cell niche in tumors is highly dynamic, with the circulation of cells between the tumor and peripheral lymphoid tissue to bridge systemic and intratumoral responses.

Tumour dendritic cells (DCs) internalise antigen and upregulate CCR7, which directs their migration to tumour-draining lymph nodes (dLN). CCR7 expression is coupled to a maturation programme enriched in regulatory molecule expression, including PD-L1, termed mRegDC. However, the spatio-temporal dynamics and role of mRegDCs in anti-tumour immune responses remain unclear. Using photoconvertible mice to precisely track DC migration, we found that mRegDCs were the dominant DC population arriving in the dLN, but a subset remained tumour-resident despite CCR7 expression. These tumour-retained mRegDCs were phenotypically and transcriptionally distinct from their dLN counterparts and were heterogeneous. Specifically, they demonstrated a progressive reduction in the expression of antigen presentation and pro-inflammatory transcripts with more prolonged tumour dwell-time. Tumour mRegDCs spatially co-localised with PD-1+CD8+ T cells in human and murine solid tumours. Following anti-PD-L1 treatment, tumour-residing mRegDCs adopted a state enriched in lymphocyte stimulatory molecules, including OX40L, which was capable of augmenting anti-tumour cytolytic activity. Altogether, these data uncover previously unappreciated heterogeneity in mRegDCs that may underpin a variable capacity to support intratumoural cytotoxic T cells, and provide insights into their role in cancer immunotherapy.

Abstract Immune cell dysfunction within the tumor microenvironment undermines the control of cancer progression. NK cells play critical roles in limiting early tumor growth and metastatic disease, however, established cancers contain a phenotypically distinct, tumor-specific NK cell compartment. The temporal dynamics, mechanistic underpinning and functional significance of this tumor NK pool remains incompletely understood. To address this, we exploited photo-labeling, combined with longitudinal transcriptomic and cellular analyses, to interrogate the fate of NK cells after tumor entry. In multiple murine cancer models we reveal that conventional NK cells are continuously recruited into tumors, but rapidly adopt a distinct phenotypic state with features associated with tissue-residency and complete loss of effector functions (including chemokine and cytokine production and cytotoxicity), within 48-72 hrs of entering the tumor. Depletion of NK cells from established tumors did not alter tumor growth, indicating that intratumoral NK cells cease to actively contribute to anti- tumor responses. Furthermore, comparable NK populations were identified in human colorectal cancers, confirming translational relevance and raising the possibility that interventions to reactivate NK cells within tissues may boost anti-tumor immunity in established cancers. Indeed, administration of IL-15:IL-15Ra complexes prevented the loss of NK cell function and improved tumor control, generating intratumoral NK cells with both enhanced tissue-residency characteristics and effector function. Collectively, our data reveals the fate of cNK cells after recruitment into tumors and provides insight into how intratumoral NK cell functions may be revived. Summary Conventional NK cells recruited from the circulation rapidly establish a tissue-resident phenotype defined by impaired cytotoxicity and chemokine production after tumor entry; administration of IL- 15:IL-15Rα complexes further promotes this tissue-residency programme but maintains core NK cell effector functions within the tumor.