T cell differentiation into distinct functional effector and inhibitory subsets is regulated, in part, by the cytokine environment present at the time of antigen recognition. Here, we show that hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1), a key metabolic sensor, regulates the balance between regulatory T cell (Treg) and TH17 differentiation. HIF-1 enhances TH17 development through direct transcriptional activation of RORγt and via tertiary complex formation with RORγt and p300 recruitment to the IL-17 promoter, thereby regulating TH17 signature genes. Concurrently, HIF-1 attenuates Treg development by binding Foxp3 and targeting it for proteasomal degradation. Importantly, this regulation occurs under both normoxic and hypoxic conditions. Mice with HIF-1α-deficient T cells are resistant to induction of TH17-dependent experimental autoimmune encephalitis associated with diminished TH17 and increased Treg cells. These findings highlight the importance of metabolic cues in T cell fate determination and suggest that metabolic modulation could ameliorate certain T cell-based immune pathologies.

Cyclic dinucleotide formulated cancer vaccine combined with PD-1 blockade can induce regression of tumors that do not express PD-L1 constitutively.

Myeloid-derived suppressor cells (MDSC) play a key immunosuppressive role in various types of cancer, including head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC). In this study, we characterized CD14+HLA-DR–/lo cells sorted from the tumors, draining lymph nodes, and peripheral blood of HNSCC patients. CD14+HLA-DR–/lo cells were phenotyped as CD11b+, CD33+, CD34+, arginase-I+, and ROS+. In all 3 compartments, they suppressed autologous, antigen-independent T cell proliferation in a differential manner. The abundance of MDSC correlated with stage, but did not correlate with previous treatment with radiation or subsites of HNSCC. Interestingly, MDSC from all 3 compartments showed high phosphorylated STAT3 levels that correlated with arginase-I expression levels and activity. Stattic, a STAT3-specific inhibitor, and STAT3-targeted siRNA abrogated MDSC’s suppressive function. Inhibition of STAT3 signaling also resulted in decreased arginase-I activity. Analysis of the human arginase-I promoter region showed multiple STAT3-binding elements, and ChIP demonstrated that phosphorylated STAT3 binds to multiple sites in the arginase-I promoter. Finally, rescue of arginase-I activity after STAT3 blockade restored MDSC’s suppressive function. Taken together, these results demonstrate that the suppressive function of arginase-I in both infiltrating and circulating MDSC is a downstream target of activated STAT3.

Abstract The adaptive T cell response is accompanied by continuous rewiring of the T cell’s electric and metabolic state. Ion channels and nutrient transporters integrate bioelectric and biochemical signals from the environment, setting cellular electric and metabolic states. Divergent electric and metabolic states contribute to T cell immunity or tolerance. Here, we report that neuritin (Nrn1) contributes to tolerance development by modulating regulatory and effector T cell function. Nrn1 expression in regulatory T cells promotes its expansion and suppression function, while expression in the T effector cell dampens its inflammatory response. Nrn1 deficiency causes dysregulation of ion channel and nutrient transporter expression in Treg and effector T cells, resulting in divergent metabolic outcomes and impacting autoimmune disease progression and recovery. These findings identify a novel immune function of the neurotrophic factor Nrn1 in regulating the T cell metabolic state in a cell context-dependent manner and modulating the outcome of an immune response.

Denileukin diftitox (DAB1-389-IL-2, Ontak) is a diphtheria toxin-based fusion protein that depletes CD25-positive cells including regulatory T cells (Tregs) and was approved for the treatment of persistent or recurrent cutaneous T cell lymphoma. However, the clinical use of denileukin diftitox was limited by vascular leak toxicity and production issues related to drug aggregation and purity. We found that a single amino acid substitution (V6A) in a motif associated with vascular leak induction yields a fully active, second generation biologic, s-DAB1-386-IL-2(V6A), which elicits 50-fold less HUVEC monolayer permeation and is 3.7-fold less lethal to mice by LD50 analysis than s-DAB1-386-IL-2. Additionally, to overcome aggregation problems, we developed a novel production method for the fusion toxin using Corynebacterium diphtheriae that secretes fully-folded, biologically active, monomeric s-DAB1-386-IL-2 into the culture medium. Using the poorly immunogenic mouse B16F10 melanoma model, we initiated treatment 7 days after tumor challenge and observed that, while both s-DAB1-386-IL-2(V6A) and s-DAB1-386-IL-2 are inhibitors of tumor growth, the capacity to treat with higher doses of s-DAB1-386-IL-2(V6A) could provide a superior activity window. In a sequential dual therapy study in tumors that have progressed for 10 days both s-DAB1-386-IL-2(V6A) and s-DAB1-386-IL-2 given prior to checkpoint inhibition with anti-PD-1 antibodies inhibited tumor growth, while either drug given as monotherapy had less effect. s-DAB1-386-IL-2(V6A), a fully monomeric protein with reduced vascular leak, is a second-generation diphtheria toxin-based fusion protein with promise as a cancer immunotherapeutic both alone and in conjunction with PD-1 blockade.

e14649 Background: Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) resists to immune checkpoint inhibitors as single agents. TAMs expressing the triggering receptor expressed on myeloid cells (TREM2) protein were found to be a dominant macrophage population in PDAC; targeting TREM2 has been found to enhance the efficacy of immune checkpoint inhibitor-based therapies in preclinical studies of other malignancies. Here, we studied the role of targeting TREM2 in PDAC by testing the combination of non-depleting anti-TREM2 antibody and anti-PD-1 antibody in a mouse model of PDAC. We also examined the relationship between TREM2 expression and effector T cells in surgically resected human PDAC collected from a previous clinical trial treated with the neoadjuvant combination therapy of nivolumab (anti-PD-1 antibody), urelumab (anti-CD137 agonist antibody), and the pancreatic cancer GVAX vaccine. Methods: C57BL/6 mice were orthotopically implanted with KPC tumors. Anti-TREM2 was injected intraperitoneally (i.p.) once a week and anti-PD-1 was injected i.p. twice a week. Tumor volume was measured by ultrasound. TREM2 was stained on slides which were previously obtained from surgically resected PDACs following the neoadjuvant combination treatment of nivolumab, urelumab, and GVAX and stained for multiple immune cell markers with a multiplex staining-striping immunohistochemistry (IHC) technique. Results: Tumor growth post-tumor implantation was found to be significantly decreased by the anti-PD-1 and anti-TREM2 combination compared with anti-PD-1 alone, anti-TREM2 alone, or control treatment (p < 0.0001). Survival of tumor-bearing mice was significantly prolonged by the anti-PD-1 and anti-TREM2 combination when compared to anti-PD-1(p < 0.05), anti-TREM2(p < 0.05), and control (p < 0.01). Multiplex IHC analysis of human PDACs following neoadjuvant immunotherapy showed a higher density of granzyme B+CD8+ effector T cells correlated with higher density of TREM2+ cells (p = 0.0357). Conclusions: Our study demonstrates the anti-tumor efficacy of anti-TREM2 antibody in combination with an immune checkpoint inhibitor in mouse PDAC. However, the analysis of human PDAC following neoadjuvant immunotherapy suggests that TREM2 on TAMs may be activated following the activation of effector T cells. Taken together, our results suggest that TREM2+ TAMs should be reprogrammed instead of being depleted in the design of anti-TREM2-based therapy for PDAC.

ABSTRACT Axon guidance molecules were found to be the gene family most frequently altered in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDA) through mutations and copy number changes. However, the exact molecular mechanism regarding PDA development remained unclear. Using genetically engineered mouse models to examine one of the axon guidance molecules, semaphorin 3D (SEMA3D), we found a dual role for tumor-derived SEMA3D in malignant transformation of pancreatic epithelial cells and a role for nerve-derived SEMA3D in PDA development. This was demonstrated by the pancreatic-specific knockout of the SEMA3D gene from the KRAS G12D and TP53 R 172 H mutation knock-in, PDX1-Cre (KPC) mouse model which demonstrated a delayed tumor initiation and growth comparing to the original KPC mouse model. Our results showed that SEMA3D knockout skews the macrophages in the pancreas away from M2 polarization, providing a potential mechanistic role of tumor-derived SEMA3D in PDA development. The KPC mice with the SEMA3D knockout remained metastasis-free, however, died from primary tumor growth. We then tested the hypothesis that a potential compensation mechanism could result from SEMA3D which is naturally expressed by the intratumoral nerves. Our study further revealed that nerve-derived SEMA3D does not reprogram macrophages directly, but reprograms macrophages indirectly through ARF6 signaling and lactate production in PDA tumor cells. SEMA3D increases tumor-secreted lactate which is sensed by GPCR132 on macrophages and subsequently stimulates pro-tumorigenic M2 polarization in vivo. Tumor intrinsic- and extrinsic-SEMA3D induced ARF6 signaling through its receptor Plexin D1 in a mutant KRAS-dependent manner. Consistently, RNA sequencing database analysis revealed an association of higher KRAS MUT expression with an increase in SEMA3D and ARF6 expression in human PDAs. Moreover, multiplex immunohistochemistry analysis showed an increased number of M2-polarized macrophages proximal to nerves in human PDA tissue expressing SEMA3D. Thus, this study suggests altered expression of SEMA3D in tumor cells lead to acquisition of cancer-promoting functions and the axon guidance signaling originating from nerves is “hijacked” by tumor cells to support their growth. Other axon guidance and neuronal development molecules may play a similar dual role which is worth further investigation. One sentence summary Tumor- and nerve-derived SEMA3D promotes tumor progression and metastasis through macrophage reprogramming in the tumor microenvironment. STATEMENT OF SIGNIFICANCE This study established the dual role of axon guidance molecule, SEMA3D, in the malignant transformation of pancreatic epithelial cells and of nerve-derived SEMA3D in PDA progression and metastasis. It revealed macrophage reprogramming as the mechanism underlying bothroles. Together, this research elucidated how inflammatory responses promote invasive PDA progression and metastasis through an oncogenic process.