Abstract We examined the immune microenvironment of primary colorectal cancer using immunohistochemistry, laser capture microdissection/qRT-PCR, flow cytometry, and functional analysis of tumor-infiltrating lymphocytes. A subset of colorectal cancer displayed high infiltration with activated CD8+ cytotoxic T lymphocyte (CTL) as well as activated Th1 cells characterized by IFNγ production and the Th1 transcription factor TBET. Parallel analysis of tumor genotypes revealed that virtually all of the tumors with this active Th1/CTL microenvironment had defects in mismatch repair, as evidenced by microsatellite instability (MSI). Counterbalancing this active Th1/CTL microenvironment, MSI tumors selectively demonstrated highly upregulated expression of multiple immune checkpoints, including five—PD-1, PD-L1, CTLA-4, LAG-3, and IDO—currently being targeted clinically with inhibitors. These findings link tumor genotype with the immune microenvironment, and explain why MSI tumors are not naturally eliminated despite a hostile Th1/CTL microenvironment. They further suggest that blockade of specific checkpoints may be selectively efficacious in the MSI subset of colorectal cancer. Significance: The findings reported in this article are the first to demonstrate a link between a genetically defined subtype of cancer and its corresponding expression of immune checkpoints in the tumor microenvironment. The mismatch repair–defective subset of colorectal cancer selectively upregulates at least five checkpoint molecules that are targets of inhibitors currently being clinically tested. Cancer Discov; 5(1); 43–51. ©2014 AACR. See related commentary by Xiao and Freeman, p. 16 This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1

A fresh look at glutamine targeting Glutamine is essential for tumor growth and has long been an attractive therapeutic target for cancer researchers. Some attempts at blocking glutamine metabolism in cancer patients resulted in toxicity, prompting Leone et al. to develop an innovative approach to reduce general side effects. They designed a prodrug form (JHU083) of the glutamine antagonist 6-diazo-5-oxo- l -norleucine (DON), which is administered in an inert state but then preferentially activated by enzymes enriched in the tumor microenvironment. JHU083 simultaneously shut down glycolysis and oxidative phosphorylation in mouse cancer cells while enhancing T cell oxidative phosphorylation and anticancer immune responses. Science , this issue p. 1013

Significance Recent clinical trials have shown highly promising responses in a subset of patients treated with immune checkpoint inhibitory anti–programmed cell death-1, anti–programmed cell death ligand-1, and anti–cytotoxic T-lymphocyte-associated antigen-4 antibodies, but the majority of patients in these trials remained unresponsive. Our results show that elevated myeloid-derived suppressor cells(MDSCs) are responsible for the resistance and that elimination of MDSCs can lead to cures of experimental, metastatic tumors.

Engineering a healing immune response Infections, surgeries, and trauma can all cause major tissue damage. Biomaterial scaffolds, which help to guide regenerating tissue, are an exciting emerging therapeutic strategy to promote tissue repair. Sadtler et al. tested how biomaterial scaffolds interact with the immune system in damaged tissue to promote repair (see the Perspective by Badylak). Scaffolds derived from cardiac muscle and bone extracellular matrix components trigger a tissue-reparative T cell immune response in mice with injured muscles. Science , this issue p. 366 ; see also p. 298

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.

Pro-carcinogenic bacteria have the potential to initiate and/or promote colon cancer, in part via immune mechanisms that are incompletely understood. Using ApcMin mice colonized with the human pathobiont enterotoxigenic Bacteroides fragilis (ETBF) as a model of microbe-induced colon tumorigenesis, we show that the Bacteroides fragilis toxin (BFT) triggers a pro-carcinogenic, multi-step inflammatory cascade requiring IL-17R, NF-κB, and Stat3 signaling in colonic epithelial cells (CECs). Although necessary, Stat3 activation in CECs is not sufficient to trigger ETBF colon tumorigenesis. Notably, IL-17-dependent NF-κB activation in CECs induces a proximal to distal mucosal gradient of C-X-C chemokines, including CXCL1, that mediates the recruitment of CXCR2-expressing polymorphonuclear immature myeloid cells with parallel onset of ETBF-mediated distal colon tumorigenesis. Thus, BFT induces a pro-carcinogenic signaling relay from the CEC to a mucosal Th17 response that results in selective NF-κB activation in distal colon CECs, which collectively triggers myeloid-cell-dependent distal colon tumorigenesis.

Abstract Purpose: Checkpoint molecules like programmed death-1 (PD-1) and T-cell immunoglobulin mucin-3 (TIM-3) are negative immune regulators that may be upregulated in the setting of glioblastoma multiforme. Combined PD-1 blockade and stereotactic radiosurgery (SRS) have been shown to improve antitumor immunity and produce long-term survivors in a murine glioma model. However, tumor-infiltrating lymphocytes (TIL) can express multiple checkpoints, and expression of ≥2 checkpoints corresponds to a more exhausted T-cell phenotype. We investigate TIM-3 expression in a glioma model and the antitumor efficacy of TIM-3 blockade alone and in combination with anti-PD-1 and SRS. Experimental Design: C57BL/6 mice were implanted with murine glioma cell line GL261-luc2 and randomized into 8 treatment arms: (i) control, (ii) SRS, (iii) anti-PD-1 antibody, (iv) anti-TIM-3 antibody, (v) anti-PD-1 + SRS, (vi) anti-TIM-3 + SRS, (vii) anti-PD-1 + anti-TIM-3, and (viii) anti-PD-1 + anti-TIM-3 + SRS. Survival and immune activation were assessed. Results: Dual therapy with anti-TIM-3 antibody + SRS or anti-TIM-3 + anti-PD-1 improved survival compared with anti-TIM-3 antibody alone. Triple therapy resulted in 100% overall survival (P < 0.05), a significant improvement compared with other arms. Long-term survivors demonstrated increased immune cell infiltration and activity and immune memory. Finally, positive staining for TIM-3 was detected in 7 of 8 human GBM samples. Conclusions: This is the first preclinical investigation on the effects of dual PD-1 and TIM-3 blockade with radiation. We also demonstrate the presence of TIM-3 in human glioblastoma multiforme and provide preclinical evidence for a novel treatment combination that can potentially result in long-term glioma survival and constitutes a novel immunotherapeutic strategy for the treatment of glioblastoma multiforme. Clin Cancer Res; 23(1); 124–36. ©2016 AACR.

PD-1 blockade unleashes CD8 T cells1, including those specific for mutation-associated neoantigens (MANA), but factors in the tumour microenvironment can inhibit these T cell responses. Single-cell transcriptomics have revealed global T cell dysfunction programs in tumour-infiltrating lymphocytes (TIL). However, the majority of TIL do not recognize tumour antigens2, and little is known about transcriptional programs of MANA-specific TIL. Here, we identify MANA-specific T cell clones using the MANA functional expansion of specific T cells assay3 in neoadjuvant anti-PD-1-treated non-small cell lung cancers (NSCLC). We use their T cell receptors as a 'barcode' to track and analyse their transcriptional programs in the tumour microenvironment using coupled single-cell RNA sequencing and T cell receptor sequencing. We find both MANA- and virus-specific clones in TIL, regardless of response, and MANA-, influenza- and Epstein-Barr virus-specific TIL each have unique transcriptional programs. Despite exposure to cognate antigen, MANA-specific TIL express an incompletely activated cytolytic program. MANA-specific CD8 T cells have hallmark transcriptional programs of tissue-resident memory (TRM) cells, but low levels of interleukin-7 receptor (IL-7R) and are functionally less responsive to interleukin-7 (IL-7) compared with influenza-specific TRM cells. Compared with those from responding tumours, MANA-specific clones from non-responding tumours express T cell receptors with markedly lower ligand-dependent signalling, are largely confined to HOBIThigh TRM subsets, and coordinately upregulate checkpoints, killer inhibitory receptors and inhibitors of T cell activation. These findings provide important insights for overcoming resistance to PD-1 blockade.

Myeloid cells comprise a major component of the tumor microenvironment (TME) that promotes tumor growth and immune evasion. By employing a small-molecule inhibitor of glutamine metabolism, not only were we able to inhibit tumor growth, but we markedly inhibited the generation and recruitment of myeloid-derived suppressor cells (MDSCs). Targeting tumor glutamine metabolism led to a decrease in CSF3 and hence recruitment of MDSCs as well as immunogenic cell death, leading to an increase in inflammatory tumor-associated macrophages (TAMs). Alternatively, inhibiting glutamine metabolism of the MDSCs themselves led to activation-induced cell death and conversion of MDSCs to inflammatory macrophages. Surprisingly, blocking glutamine metabolism also inhibited IDO expression of both the tumor and myeloid-derived cells, leading to a marked decrease in kynurenine levels. This in turn inhibited the development of metastasis and further enhanced antitumor immunity. Indeed, targeting glutamine metabolism rendered checkpoint blockade-resistant tumors susceptible to immunotherapy. Overall, our studies define an intimate interplay between the unique metabolism of tumors and the metabolism of suppressive immune cells.

Regulatory T cells (Treg) are conventionally viewed as suppressors of endogenous and therapy-induced antitumor immunity; however, their role in modulating responses to immune checkpoint blockade (ICB) is unclear. In this study, we integrated single-cell RNA-seq/T cell receptor sequencing (TCRseq) of >73,000 tumor-infiltrating Treg (TIL-Treg) from anti-PD-1-treated and treatment-naive non-small cell lung cancers (NSCLC) with single-cell analysis of tumor-associated antigen (TAA)-specific Treg derived from a murine tumor model. We identified 10 subsets of human TIL-Treg, most of which have high concordance with murine TIL-Treg subsets. Only one subset selectively expresses high levels of TNFRSF4 (OX40) and TNFRSF18 (GITR), whose engangement by cognate ligand mediated proliferative programs and NF-κB activation, as well as multiple genes involved in Treg suppression, including LAG3. Functionally, the OX40hiGITRhi subset is the most highly suppressive ex vivo, and its higher representation among total TIL-Treg correlated with resistance to PD-1 blockade. Unexpectedly, in the murine tumor model, we found that virtually all TIL-Treg-expressing T cell receptors that are specific for TAA fully develop a distinct TH1-like signature over a 2-week period after entry into the tumor, down-regulating FoxP3 and up-regulating expression of TBX21 (Tbet), IFNG, and certain proinflammatory granzymes. Transfer learning of a gene score from the murine TAA-specific TH1-like Treg subset to the human single-cell dataset revealed a highly analogous subcluster that was enriched in anti-PD-1-responding tumors. These findings demonstrate that TIL-Treg partition into multiple distinct transcriptionally defined subsets with potentially opposing effects on ICB-induced antitumor immunity and suggest that TAA-specific TIL-Treg may positively contribute to antitumor responses.