Cancer stem cells have been isolated from a number of human tumours. The latest example is a subpopulation of human malignant melanoma initiating cells, identified by their expression of the chemoresistance mediator ABCB5. The size of the ABCB5+ subpopulations correlates with clinical disease progression in patients with melanomas, and preliminary evidence also suggests that these melanoma stem cells can be specifically targeted with antibodies against ABCB5. This offers a potential therapeutic strategy against melanomas, and the study of cells of this type could help answer important questions in cancer biology. The hybrid melanoma cell shown on the cover, depicted as a merged, computer-enhanced fluorescent microscopy image, arose in vivo in a human tumour xenograft through fusion of an ABCB5+ melanoma stem cell with a more differentiated, ABCB5− tumour cell. Nuclei are marked by genetically encoded red (DsRed) and green (EYFP) fluorescent labels, respectively. The isolation of tumour-initiating cells from human melanomas is reported, with preliminary evidence suggesting that these melanoma stem cells can be specifically targeted with antibodies targeted against ABCB5, which offers a potential therapeutic strategy against melanomas. Tumour-initiating cells capable of self-renewal and differentiation, which are responsible for tumour growth, have been identified in human haematological malignancies1,2 and solid cancers3,4,5,6. If such minority populations are associated with tumour progression in human patients, specific targeting of tumour-initiating cells could be a strategy to eradicate cancers currently resistant to systemic therapy. Here we identify a subpopulation enriched for human malignant-melanoma-initiating cells (MMIC) defined by expression of the chemoresistance mediator ABCB5 (refs 7, 8) and show that specific targeting of this tumorigenic minority population inhibits tumour growth. ABCB5+ tumour cells detected in human melanoma patients show a primitive molecular phenotype and correlate with clinical melanoma progression. In serial human-to-mouse xenotransplantation experiments, ABCB5+ melanoma cells possess greater tumorigenic capacity than ABCB5- bulk populations and re-establish clinical tumour heterogeneity. In vivo genetic lineage tracking demonstrates a specific capacity of ABCB5+ subpopulations for self-renewal and differentiation, because ABCB5+ cancer cells generate both ABCB5+ and ABCB5- progeny, whereas ABCB5- tumour populations give rise, at lower rates, exclusively to ABCB5-cells. In an initial proof-of-principle analysis, designed to test the hypothesis that MMIC are also required for growth of established tumours, systemic administration of a monoclonal antibody directed at ABCB5, shown to be capable of inducing antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity in ABCB5+ MMIC, exerted tumour-inhibitory effects. Identification of tumour-initiating cells with enhanced abundance in more advanced disease but susceptibility to specific targeting through a defining chemoresistance determinant has important implications for cancer therapy.

Psoriasis is a common papulosquamous skin disease. The histopathology is characterized by epidermal hyperplasia and inflammation. Recent studies suggest that keratinocyte proliferation and inflammation in psoriasis are manifestations of the same underlying pathological process. Interleukin 6 (IL-6), a cytokine that is a major mediator of the host response to tissue injury and infection, is produced by both keratinocytes and leukocytes in culture. IL-6 expression was studied in psoriatic plaques by immunoperoxidase staining with two different polyclonal anti-recombinant IL-6 antisera and by in situ nucleic acid hybridization with IL-6 cRNA probes. Epidermal and dermal cells in active psoriatic plaques from 35 psoriasis patients stained heavily for IL-6 as compared with nonlesional skin and with plaques after treatment with antimetabolic and antiinflammatory agents. Absorption of the anti-recombinant IL-6 antisera with purified fibroblast-derived IL-6 or with recombinant IL-6, but not bovine serum albumin, removed the immunostaining. Increased levels of IL-6 were detected in the plasma of patients with active psoriasis (mean 3 ng/ml) by using two different bioassays. IL-6 production by proliferating keratinocytes was suggested by IL-6-specific immunostaining in cultured normal and psoriatic keratinocytes and by the detection of mRNA specific for IL-6 in psoriatic epidermis by in situ hybridization. IL-6 stimulated the proliferation of cultured, normal human keratinocytes as assessed by two different assays. Thus, IL-6 could directly contribute to the epidermal hyperplasia seen in psoriatic epithelium as well as affect the function of dermal inflammatory cells.

Local skin infection is shown to generate long-lived T cells that reside throughout the skin and are potent effector cells, superior to circulating memory T cells in providing rapid long-term protection again cutaneous re-infection. The recently described tissue resident memory T (TRM) cells are thought to carry immune memory in peripheral tissues, but their precise function is poorly understood. Experiments in a mouse model show that the CD8+ TRM cells generated by vaccinia virus skin infection not only home to infected skin areas, but also spread to the entire skin surface. They are superior to circulating central memory T cells in providing rapid long-term protection against cutaneous reinfection. This finding is relevant to the nature of adaptive immunological memory and to vaccine design. Protective T-cell memory has long been thought to reside in blood and lymph nodes, but recently the concept of immune memory in peripheral tissues mediated by resident memory T (TRM) cells has been proposed1,2,3,4,5. Here we show in mice that localized vaccinia virus (VACV) skin infection generates long-lived non-recirculating CD8+ skin TRM cells that reside within the entire skin. These skin TRM cells are potent effector cells, and are superior to circulating central memory T (TCM) cells at providing rapid long-term protection against cutaneous re-infection. We find that CD8+ T cells are rapidly recruited to skin after acute VACV infection. CD8+ T-cell recruitment to skin is independent of CD4+ T cells and interferon-γ, but requires the expression of E- and P-selectin ligands by CD8+ T cells. Using parabiotic mice, we further show that circulating CD8+ TCM and CD8+ skin TRM cells are both generated after skin infection; however, CD8+ TCM cells recirculate between blood and lymph nodes whereas TRM cells remain in the skin. Cutaneous CD8+ TRM cells produce effector cytokines and persist for at least 6 months after infection. Mice with CD8+ skin TRM cells rapidly cleared a subsequent re-infection with VACV whereas mice with circulating TCM but no skin TRM cells showed greatly impaired viral clearance, indicating that TRM cells provide superior protection. Finally, we show that TRM cells generated as a result of localized VACV skin infection reside not only in the site of infection, but also populate the entire skin surface and remain present for many months. Repeated re-infections lead to progressive accumulation of highly protective TRM cells in non-involved skin. These findings have important implications for our understanding of protective immune memory at epithelial interfaces with the environment, and suggest novel strategies for vaccines that protect against tissue tropic organisms.

Abstract There are T cells within normal, noninflamed skin that most likely conduct immunosurveillance and are implicated in the development of psoriasis. We isolated T cells from normal human skin using both established and novel methods. Skin resident T cells expressed high levels of CLA, CCR4, and CCR6, and a subset expressed CCR8 and CXCR6. Skin T cells had a remarkably diverse TCR repertoire and were mostly Th1 memory effector cells with smaller subsets of central memory, Th2, and functional T regulatory cells. We isolated a surprising number of nonexpanded T cells from normal skin. To validate this finding, we counted T cells in sections of normal skin and determined that there are ∼1 × 106 T cells/cm2 normal skin and an estimated 2 × 1010 T cells in the entire skin surface, nearly twice the number of T cells in the circulation. Moreover, we estimate that 98% of CLA+ effector memory T cells are resident in normal skin under resting conditions. These findings demonstrate that there is a large pool of memory T cells in normal skin that can initiate and perpetuate immune reactions in the absence of T cell recruitment from the blood.

Tissue-resident memory T (TRM) cells persist indefinitely in epithelial barrier tissues and protect the host against pathogens. However, the biological pathways that enable the long-term survival of TRM cells are obscure. Here we show that mouse CD8+ TRM cells generated by viral infection of the skin differentially express high levels of several molecules that mediate lipid uptake and intracellular transport, including fatty-acid-binding proteins 4 and 5 (FABP4 and FABP5). We further show that T-cell-specific deficiency of Fabp4 and Fabp5 (Fabp4/Fabp5) impairs exogenous free fatty acid (FFA) uptake by CD8+ TRM cells and greatly reduces their long-term survival in vivo, while having no effect on the survival of central memory T (TCM) cells in lymph nodes. In vitro, CD8+ TRM cells, but not CD8+ TCM cells, demonstrated increased mitochondrial oxidative metabolism in the presence of exogenous FFAs; this increase was not seen in Fabp4/Fabp5 double-knockout CD8+ TRM cells. The persistence of CD8+ TRM cells in the skin was strongly diminished by inhibition of mitochondrial FFA β-oxidation in vivo. Moreover, skin CD8+ TRM cells that lacked Fabp4/Fabp5 were less effective at protecting mice from cutaneous viral infection, and lung Fabp4/Fabp5 double-knockout CD8+ TRM cells generated by skin vaccinia virus (VACV) infection were less effective at protecting mice from a lethal pulmonary challenge with VACV. Consistent with the mouse data, increased FABP4 and FABP5 expression and enhanced extracellular FFA uptake were also demonstrated in human CD8+ TRM cells in normal and psoriatic skin. These results suggest that FABP4 and FABP5 have a critical role in the maintenance, longevity and function of CD8+ TRM cells, and suggest that CD8+ TRM cells use exogenous FFAs and their oxidative metabolism to persist in tissue and to mediate protective immunity.

Therapeutic antibodies targeting programmed cell death 1 (PD-1) activate tumor-specific immunity and have shown remarkable efficacy in the treatment of melanoma. Yet, little is known about tumor cell-intrinsic PD-1 pathway effects. Here, we show that murine and human melanomas contain PD-1-expressing cancer subpopulations and demonstrate that melanoma cell-intrinsic PD-1 promotes tumorigenesis, even in mice lacking adaptive immunity. PD-1 inhibition on melanoma cells by RNAi, blocking antibodies, or mutagenesis of melanoma-PD-1 signaling motifs suppresses tumor growth in immunocompetent, immunocompromised, and PD-1-deficient tumor graft recipient mice. Conversely, melanoma-specific PD-1 overexpression enhances tumorigenicity, as does engagement of melanoma-PD-1 by its ligand, PD-L1, whereas melanoma-PD-L1 inhibition or knockout of host-PD-L1 attenuate growth of PD-1-positive melanomas. Mechanistically, the melanoma-PD-1 receptor modulates downstream effectors of mTOR signaling. Our results identify melanoma cell-intrinsic functions of the PD-1:PD-L1 axis in tumor growth and suggest that blocking melanoma-PD-1 might contribute to the striking clinical efficacy of anti-PD-1 therapy.

Intercellular adhesion molecule 1 (ICAM-1) is one of three immunoglobulin superfamily members that bind to the integrins lymphocyte function associated 1 (LFA-1) and Mac-1 on leukocytes. We have generated mice that are genetically and functionally deficient in ICAM-1. These mice have elevated numbers of circulating neutrophils and lymphocytes, as well as diminished allogeneic T cell responses and delayed type hypersensitivity. Mutant mice are resistant to lethal effects of high doses of endotoxin (lipopolysaccharide [LPS]), and this correlates with a significant decrease in neutrophil infiltration in the liver. Production of inflammatory cytokines such as tumor necrosis factor alpha or interleukin 1 is normal in ICAM-1-deficient mice, and thus protection appears to be related to a diminution in critical leukocyte-endothelial interactions. After sensitization with D-galactosamine (D-Gal), ICAM-1-deficient mice are resistant to the lethal effect of low doses of exotoxin (Staphylococcus aureus enterotoxin B [SEB]), which has been shown to mediate its toxic effects via the activation of specific T cells. In this model, ICAM-1-mediated protection against SEB lethality correlates with a decrease in the systemic release of inflammatory cytokines, as well as with prevention of extensive hepatocyte necrosis and hemorrhage. ICAM-1-deficient mice sensitized with D-Gal, however, are not protected from lethality when challenged with low doses of endotoxin (LPS). These studies show that the different contribution of ICAM-1 in the activation of either T cells or macrophages is decisive for the fatal outcome of the shock in these two models. This work suggests that anti-ICAM-1 therapy may be beneficial in both gram-positive and -negative septic shock, either by reducing T cell activation or by diminishing neutrophil infiltration.

Four different T cell populations with different functions and migration patterns protect human skin.

Abstract Cutaneous T-cell lymphoma (CTCL) encompasses leukemic variants (L-CTCL) such as Sézary syndrome (SS) and primarily cutaneous variants such as mycosis fungoides (MF). To clarify the relationship between these clinically disparate presentations, we studied the phenotype of T cells from L-CTCL and MF. Clonal malignant T cells from the blood of L-CTCL patients universally coexpressed the lymph node homing molecules CCR7 and L-selectin as well as the differentiation marker CD27, a phenotype consistent with central memory T cells. CCR4 was also universally expressed at high levels, and there was variable expression of other skin addressins (CCR6, CCR10, and CLA). In contrast, T cells isolated from MF skin lesions lacked CCR7/L-selectin and CD27 but strongly expressed CCR4 and CLA, a phenotype suggestive of skin resident effector memory T cells. Our results suggest that SS is a malignancy of central memory T cells and MF is a malignancy of skin resident effector memory T cells.

In this issue, Thomas Kupper and colleagues report that mice deficient for ROR-γ or interleukin-23 (IL-23) receptor showed impaired melanoma growth. Tumor growth inhibition was dependent in part on IL-9 and T helper type 9 (TH9) cells. Moreover, the authors showed that IL-9 acts on mast cells rather than T or B cells to mediate its antitumor effects and that TH9 cells are present in human blood and skin, suggesting that a role for TH9 cells in human tumor immunity should be explored. Interleukin-9 (IL-9) is a T cell cytokine that acts through a γC-family receptor on target cells and is associated with inflammation and allergy. We determined that T cells from mice deficient in the T helper type 17 (TH17) pathway genes encoding retinoid-related orphan receptor γ (ROR-γ) and IL-23 receptor (IL-23R) produced abundant IL-9, and we found substantial growth inhibition of B16F10 melanoma in these mice. IL-9–blocking antibodies reversed this tumor growth inhibition and enhanced tumor growth in wild-type (WT) mice. Il9r−/− mice showed accelerated tumor growth, and administration of recombinant IL-9 (rIL-9) to tumor-bearing WT and Rag1−/− mice inhibited melanoma as well as lung carcinoma growth. Adoptive transfer of tumor-antigen–specific TH9 cells into both WT and Rag1−/− mice suppressed melanoma growth; this effect was abrogated by treatment with neutralizing antibodies to IL-9. Exogenous rIL-9 inhibited tumor growth in Rag1−/− mice but not in mast-cell–deficient mice, suggesting that the targets of IL-9 in this setting include mast cells but not T or B cells. In addition, we found higher numbers of TH9 cells in normal human skin and blood compared to metastatic lesions of subjects with progressive stage IV melanoma. These results suggest a role for IL-9 in tumor immunity and offer insight into potential therapeutic strategies.