Abstract Purpose: To determine the antitumor efficacy and toxicity of a novel combination approach involving adoptive T-cell immunotherapy using chimeric antigen receptor (CAR) T cells with an immunomodulatory reagent for blocking immunosuppression. Experimental Design: We examined whether administration of a PD-1 blocking antibody could increase the therapeutic activity of CAR T cells against two different Her-2+ tumors. The use of a self-antigen mouse model enabled investigation into the efficacy, mechanism, and toxicity of this combination approach. Results: In this study, we first showed a significant increase in the level of PD-1 expressed on transduced anti-Her-2 CD8+ T cells following antigen-specific stimulation with PD-L1+ tumor cells and that markers of activation and proliferation were increased in anti-Her-2 T cells in the presence of anti-PD-1 antibody. In adoptive transfer studies in Her-2 transgenic recipient mice, we showed a significant improvement in growth inhibition of two different Her-2+ tumors treated with anti-Her-2 T cells in combination with anti-PD-1 antibody. The therapeutic effects observed correlated with increased function of anti-Her-2 T cells following PD-1 blockade. Strikingly, a significant decrease in the percentage of Gr1+ CD11b+ myeloid-derived suppressor cells (MDSC) was observed in the tumor microenvironment of mice treated with the combination therapy. Importantly, increased antitumor effects were not associated with any autoimmune pathology in normal tissue expressing Her-2 antigen. Conclusion: This study shows that specifically blocking PD-1 immunosuppression can potently enhance CAR T-cell therapy that has significant implications for potentially improving therapeutic outcomes of this approach in patients with cancer. Clin Cancer Res; 19(20); 5636–46. ©2013 AACR.

T cell activation requires that the cell meet increased energetic and biosynthetic demands. We showed that exogenous nutrient availability regulated the differentiation of naïve CD4(+) T cells into distinct subsets. Activation of naïve CD4(+) T cells under conditions of glutamine deprivation resulted in their differentiation into Foxp3(+) (forkhead box P3-positive) regulatory T (Treg) cells, which had suppressor function in vivo. Moreover, glutamine-deprived CD4(+) T cells that were activated in the presence of cytokines that normally induce the generation of T helper 1 (TH1) cells instead differentiated into Foxp3(+) Treg cells. We found that α-ketoglutarate (αKG), the glutamine-derived metabolite that enters into the mitochondrial citric acid cycle, acted as a metabolic regulator of CD4(+) T cell differentiation. Activation of glutamine-deprived naïve CD4(+) T cells in the presence of a cell-permeable αKG analog increased the expression of the gene encoding the TH1 cell-associated transcription factor Tbet and resulted in their differentiation into TH1 cells, concomitant with stimulation of mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1) signaling. Together, these data suggest that a decrease in the intracellular amount of αKG, caused by the limited availability of extracellular glutamine, shifts the balance between the generation of TH1 and Treg cells toward that of a Treg phenotype.

Abstract Cancer resistance to immune checkpoint inhibitors motivated investigations into leveraging the immunostimulatory properties of radiotherapy to overcome immune evasion and to improve treatment response. However, clinical benefits of radiotherapy-immunotherapy combinations have been modest. Routine concomitant tumor-draining lymph node irradiation (DLN IR) might be the culprit. As crucial sites for generating anti-tumor immunity, DLNs are indispensable for the in situ vaccination effect of radiotherapy. Simultaneously, DLN sparing is often not feasible due to metastatic spread. Using murine models of metastatic disease in female mice, here we demonstrate that delayed (adjuvant), but not neoadjuvant, DLN IR overcomes the detrimental effect of concomitant DLN IR on the efficacy of radio-immunotherapy. Moreover, we identify IR-induced disruption of the CCR7-CCL19/CCL21 homing axis as a key mechanism for the detrimental effect of DLN IR. Our study proposes delayed DLN IR as a strategy to maximize the efficacy of radio-immunotherapy across different tumor types and disease stages.

Abstract The differentiation of CD4 T cells to a specific effector fate is metabolically regulated, integrating glycolysis and mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) with transcriptional and epigenetic changes. OXPHOS is tightly coordinated with the tricarboxylic acid (TCA) cycle but the precise role of TCA intermediates in CD4 T cell differentiation remain unclear. Here we demonstrate that α-ketoglutarate (αKG) inhibited regulatory T cell (Treg) generation while conversely, increasing Th1 polarization. In accord with these data, αKG promoted the effector profile of Treg-polarized chimeric antigen receptor-engineered T cells against the ErbB2 tumor antigen. Mechanistically, αKG significantly altered transcripts of genes involved in lipid-related processes, inducing a robust lipidome-wide remodelling and decreased membrane fluidity. A massive increase in storage and mitochondria lipids was associated with expression of mitochondrial genes and a significantly augmented OXPHOS. Notably, inhibition of succinate dehydrogenase activity, the bridge between the TCA cycle and the electron transport chain, enforced Treg generation. Thus, our study identifies novel connections between αKG, lipidome remodelling and OXPHOS in CD4 T cell fate decisions.

Summary Radiotherapy (RT) can stimulate anti-cancer T cell responses that target primary and distant tumors. In addition to antigen-mediated stimulation of effector T cells, signals from stimulatory cytokines, notably interleukin-2 (IL-2), are necessary for optimal T cell function and memory. However, timing and IL-2 receptor (IL-2R) bias of such signals are ill-defined. Using image-guided RT in a mouse colon cancer model, we observed that single high-dose (1 x 20 Gy) RT transiently upregulated IL-2Rα (CD25) on effector CD8 + T cells, facilitating the use of CD25-biased IL-2 immunotherapy. Timed administration of CD25-biased IL-2 treatment after RT favored the expansion of tumor-infiltrating CD8 + T cells over regulatory T cells and IL-2Rβ (CD122) high CD8 + T cells, which resulted in comparable anti-tumor effects as with RT plus CD122-biased IL-2 immunotherapy. Moreover, intratumoral CD8 + T cells from animals receiving combined IL-2R-biased IL-2 and RT showed reduced signatures of T cell exhaustion. Finally, these combination treatments affected both primary irradiated and distant non-irradiated tumors, achieving durable responses. We demonstrate that timed and IL-2R subunit-biased IL-2 immunotherapy synergized with single high-dose RT to achieve potent anti-cancer immunity.

Salmonella enterica subsp. enterica serovar Typhimurium (S. Typhimurium) translocates effector molecules via its Salmonella pathogenicity island (SPI)1 encoded type 3 secretion system (T3SS) to induce internalization by intestinal epithelial cells and manipulate cellular responses. Among these effector molecules, the Salmonella outer protein B (SopB) was shown to possess phosphatidyl-inositol phosphatase activity and induce bacterial internalisation, promote cell survival, influence endosomal trafficking and alter host cell signalling. Using a neonatal S. Typhimurium infection model, we here show that SopB in vivo suppresses early epithelial chemokine expression, delays mucosal immune cell recruitment, reduces barrier impairment by enterocyte necroptosis, and prevents disease progression and premature death. Unexpectedly, this immunosuppressive effect was independent of the phosphatidyl-inositol phosphatase and phosphotransferase activity of SopB but required an intact N-terminal domain. Thus, SopB exerts a potent phosphatase-independent immunosuppressive effect to delay local tissue inflammation and disease progression likely to promote host transmission.