Blockade of programmed death 1 (PD-1), an inhibitory receptor expressed by T cells, can overcome immune resistance. We assessed the antitumor activity and safety of BMS-936558, an antibody that specifically blocks PD-1.

Programmed death 1 (PD-1) protein, a T-cell coinhibitory receptor, and one of its ligands, PD-L1, play a pivotal role in the ability of tumor cells to evade the host's immune system. Blockade of interactions between PD-1 and PD-L1 enhances immune function in vitro and mediates antitumor activity in preclinical models.

Purpose Programmed death-1 (PD-1), an inhibitory receptor expressed on activated T cells, may suppress antitumor immunity. This phase I study sought to determine the safety and tolerability of anti–PD-1 blockade in patients with treatment-refractory solid tumors and to preliminarily assess antitumor activity, pharmacodynamics, and immunologic correlates. Patients and Methods Thirty-nine patients with advanced metastatic melanoma, colorectal cancer (CRC), castrate-resistant prostate cancer, non–small-cell lung cancer (NSCLC), or renal cell carcinoma (RCC) received a single intravenous infusion of anti–PD-1 (MDX-1106) in dose-escalating six-patient cohorts at 0.3, 1, 3, or 10 mg/kg, followed by a 15-patient expansion cohort at 10 mg/kg. Patients with evidence of clinical benefit at 3 months were eligible for repeated therapy. Results Anti–PD-1 was well tolerated: one serious adverse event, inflammatory colitis, was observed in a patient with melanoma who received five doses at 1 mg/kg. One durable complete response (CRC) and two partial responses (PRs; melanoma, RCC) were seen. Two additional patients (melanoma, NSCLC) had significant lesional tumor regressions not meeting PR criteria. The serum half-life of anti–PD-1 was 12 to 20 days. However, pharmacodynamics indicated a sustained mean occupancy of > 70% of PD-1 molecules on circulating T cells ≥ 2 months following infusion, regardless of dose. In nine patients examined, tumor cell surface B7-H1 expression appeared to correlate with the likelihood of response to treatment. Conclusion Blocking the PD-1 immune checkpoint with intermittent antibody dosing is well tolerated and associated with evidence of antitumor activity. Exploration of alternative dosing regimens and combinatorial therapies with vaccines, targeted therapies, and/or other checkpoint inhibitors is warranted.

The availability of human genome sequence has transformed biomedical research over the past decade. However, an equivalent map for the human proteome with direct measurements of proteins and peptides does not exist yet. Here we present a draft map of the human proteome using high-resolution Fourier-transform mass spectrometry. In-depth proteomic profiling of 30 histologically normal human samples, including 17 adult tissues, 7 fetal tissues and 6 purified primary haematopoietic cells, resulted in identification of proteins encoded by 17,294 genes accounting for approximately 84% of the total annotated protein-coding genes in humans. A unique and comprehensive strategy for proteogenomic analysis enabled us to discover a number of novel protein-coding regions, which includes translated pseudogenes, non-coding RNAs and upstream open reading frames. This large human proteome catalogue (available as an interactive web-based resource at http://www.humanproteomemap.org) will complement available human genome and transcriptome data to accelerate biomedical research in health and disease.

Abstract Inhibitory receptors on immune cells are pivotal regulators of immune escape in cancer. Among these inhibitory receptors, CTLA-4 (targeted clinically by ipilimumab) serves as a dominant off-switch while other receptors such as PD-1 and LAG-3 seem to serve more subtle rheostat functions. However, the extent of synergy and cooperative interactions between inhibitory pathways in cancer remain largely unexplored. Here, we reveal extensive coexpression of PD-1 and LAG-3 on tumor-infiltrating CD4+ and CD8+ T cells in three distinct transplantable tumors. Dual anti–LAG-3/anti–PD-1 antibody treatment cured most mice of established tumors that were largely resistant to single antibody treatment. Despite minimal immunopathologic sequelae in PD-1 and LAG-3 single knockout mice, dual knockout mice abrogated self-tolerance with resultant autoimmune infiltrates in multiple organs, leading to eventual lethality. However, Lag3−/−Pdcd1−/− mice showed markedly increased survival from and clearance of multiple transplantable tumors. Together, these results define a strong synergy between the PD-1 and LAG-3 inhibitory pathways in tolerance to both self and tumor antigens. In addition, they argue strongly that dual blockade of these molecules represents a promising combinatorial strategy for cancer. Cancer Res; 72(4); 917–27. ©2011 AACR.

Summary

Background

 Ipilimumab is a fully human monoclonal antibody that binds cytotoxic T-lymphocyte antigen 4 to enhance antitumour immunity. Our aim was to assess the use of ipilimumab after radiotherapy in patients with metastatic castration-resistant prostate cancer that progressed after docetaxel chemotherapy. 

Methods

 We did a multicentre, randomised, double-blind, phase 3 trial in which men with at least one bone metastasis from castration-resistant prostate cancer that had progressed after docetaxel treatment were randomly assigned in a 1:1 ratio to receive bone-directed radiotherapy (8 Gy in one fraction) followed by either ipilimumab 10 mg/kg or placebo every 3 weeks for up to four doses. Non-progressing patients could continue to receive ipilimumab at 10 mg/kg or placebo as maintenance therapy every 3 months until disease progression, unacceptable toxic effect, or death. Patients were randomly assigned to either treatment group via a minimisation algorithm, and stratified by Eastern Cooperative Oncology Group performance status, alkaline phosphatase concentration, haemoglobin concentration, and investigator site. Patients and investigators were masked to treatment allocation. The primary endpoint was overall survival, assessed in the intention-to-treat population. This trial is registered with ClinicalTrials.gov, number NCT00861614. 

Findings

 From May 26, 2009, to Feb 15, 2012, 799 patients were randomly assigned (399 to ipilimumab and 400 to placebo), all of whom were included in the intention-to-treat analysis. Median overall survival was 11·2 months (95% CI 9·5–12·7) with ipilimumab and 10·0 months (8·3–11·0) with placebo (hazard ratio [HR] 0·85, 0·72–1·00; p=0·053). However, the assessment of the proportional hazards assumption showed that it was violated (p=0·0031). A piecewise hazard model showed that the HR changed over time: the HR for 0–5 months was 1·46 (95% CI 1·10–1·95), for 5–12 months was 0·65 (0·50–0·85), and beyond 12 months was 0·60 (0·43–0·86). The most common grade 3–4 adverse events were immune-related, occurring in 101 (26%) patients in the ipilimumab group and 11 (3%) of patients in the placebo group. The most frequent grade 3–4 adverse events included diarrhoea (64 [16%] of 393 patients in the ipilimumab group vs seven [2%] of 396 in the placebo group), fatigue (40 [11%] vs 35 [9%]), anaemia (40 [10%] vs 43 [11%]), and colitis (18 [5%] vs 0). Four (1%) deaths occurred because of toxic effects of the study drug, all in the ipilimumab group. 

Interpretation

 Although there was no significant difference between the ipilimumab group and the placebo group in terms of overall survival in the primary analysis, there were signs of activity with the drug that warrant further investigation. 

Funding

 Bristol-Myers Squibb.

Regulatory T cells (Tregs) limit autoimmunity but also attenuate the magnitude of antipathogen and antitumor immunity. Understanding the mechanism of Treg function and therapeutic manipulation of Tregs in vivo requires identification of Treg-selective receptors. A comparative analysis of gene expression arrays from antigen-specific CD4+ T cells differentiating to either an effector/memory or a regulatory phenotype revealed Treg-selective expression of LAG-3, a CD4-related molecule that binds MHC class II. Antibodies to LAG-3 inhibit suppression by induced Tregs both in vitro and in vivo. Natural CD4+CD25+ Tregs express LAG-3 upon activation, which is significantly enhanced in the presence of effector cells, whereas CD4+CD25+ Tregs from LAG-3−/− mice exhibit reduced regulatory activity. Lastly, ectopic expression of LAG-3 on CD4+ T cells significantly reduces their proliferative capacity and confers on them suppressor activity toward effector T cells. We propose that LAG-3 marks regulatory T cell populations and contributes to their suppressor activity.

SNF'ing out antitumor immunity Immune checkpoint inhibitors induce durable tumor regressions in some, but not all, cancer patients. Understanding the mechanisms that determine tumor sensitivity to these drugs could potentially expand the number of patients who benefit (see the Perspective by Ghorani and Quezada). Pan et al. discovered that tumor cells in which a specific SWI/SNF chromatin remodeling complex had been experimentally inactivated were more sensitive to T cell–mediated killing. The cells were more responsive to interferon-γ, leading to increased secretion of cytokines that promote antitumor immunity. Miao et al. examined the genomic features of tumors from patients with metastatic renal cell carcinoma who had been treated with immune checkpoint inhibitors. Tumors harboring inactivating mutations in PBRM1 , which encodes a subunit of the same SWI/SNF complex, were more likely to respond to the drugs. Science , this issue p. 770 , p. 801 ; see also p. 745

Purpose Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common primary brain tumor in adults, and radiation is one of the main treatment modalities. However, cure rates remain low despite best available therapies. Immunotherapy is a promising modality that could work synergistically with radiation, which has been shown to increase antigen presentation and promote a proinflammatory tumor microenvironment. Programmed-death-1 (PD-1) is a surface receptor expressed on activated and exhausted T cells, which mediate T cell inhibition upon binding with its ligand PD-L1, expressed on many tumor types including human GBMs. We tested the combination of anti-PD-1 immunotherapy with stereotactic radiosurgery in a mouse orthotopic GBM model. Methods and Materials We performed intracranial implantation of mouse glioma cell line GL261 transfected with luciferase into C57BL/6 mice. Mice were stratified into 4 treatment groups: (1) control; (2) radiation only; (3) anti-PD-1 antibody only; and (4) radiation plus anti-PD-1 antibody. Overall survival was quantified. The mice were killed on day 21 after implantation to assess immunologic parameters in the brain/tumor, cervical lymph nodes, and spleen. Results Improved survival was demonstrated with combination anti-PD-1 therapy plus radiation compared with either modality alone: median survival was 25 days in the control arm, 27 days in the anti-PD-1 antibody arm, 28 days in the radiation arm, and 53 days in the radiation plus anti-PD-1 therapy arm (P<.05 by log-rank Mantle-Cox). Long-term survival was seen only in the combined treatment arm, with a fraction (15%-40%) of animals alive at day 180+ after treatment. Immunologic data on day 21 after implantation showed increased tumor infiltration by cytotoxic T cells (CD8+/interferon-γ+/tumor necrosis factor-α+) and decreased regulatory T cells (CD4+/FOXP3) in the combined treatment group compared with the single modality arms. Conclusions The combination of PD-1 blockade and localized radiation therapy results in long-term survival in mice with orthotopic brain tumors. These studies provide strong preclinical evidence to support combination trials in patients with GBM. Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common primary brain tumor in adults, and radiation is one of the main treatment modalities. However, cure rates remain low despite best available therapies. Immunotherapy is a promising modality that could work synergistically with radiation, which has been shown to increase antigen presentation and promote a proinflammatory tumor microenvironment. Programmed-death-1 (PD-1) is a surface receptor expressed on activated and exhausted T cells, which mediate T cell inhibition upon binding with its ligand PD-L1, expressed on many tumor types including human GBMs. We tested the combination of anti-PD-1 immunotherapy with stereotactic radiosurgery in a mouse orthotopic GBM model. We performed intracranial implantation of mouse glioma cell line GL261 transfected with luciferase into C57BL/6 mice. Mice were stratified into 4 treatment groups: (1) control; (2) radiation only; (3) anti-PD-1 antibody only; and (4) radiation plus anti-PD-1 antibody. Overall survival was quantified. The mice were killed on day 21 after implantation to assess immunologic parameters in the brain/tumor, cervical lymph nodes, and spleen. Improved survival was demonstrated with combination anti-PD-1 therapy plus radiation compared with either modality alone: median survival was 25 days in the control arm, 27 days in the anti-PD-1 antibody arm, 28 days in the radiation arm, and 53 days in the radiation plus anti-PD-1 therapy arm (P<.05 by log-rank Mantle-Cox). Long-term survival was seen only in the combined treatment arm, with a fraction (15%-40%) of animals alive at day 180+ after treatment. Immunologic data on day 21 after implantation showed increased tumor infiltration by cytotoxic T cells (CD8+/interferon-γ+/tumor necrosis factor-α+) and decreased regulatory T cells (CD4+/FOXP3) in the combined treatment group compared with the single modality arms. The combination of PD-1 blockade and localized radiation therapy results in long-term survival in mice with orthotopic brain tumors. These studies provide strong preclinical evidence to support combination trials in patients with GBM.

Human papillomavirus-associated head and neck squamous cell carcinomas (HPV-HNSCC) originate in the tonsils, the major lymphoid organ that orchestrates immunity to oral infections. Despite its location, the virus escapes immune elimination during malignant transformation and progression. Here, we provide evidence for the role of the PD-1:PD-L1 pathway in HPV-HNSCC immune resistance. We show membranous expression of PD-L1 in the tonsillar crypts, the site of initial HPV infection. In HPV-HNSCCs that are highly infiltrated with lymphocytes, PD-L1 expression on both tumor cells and CD68+ tumor-associated macrophages is geographically localized to sites of lymphocyte fronts, whereas the majority of CD8+ tumor-infiltrating lymphocytes express high levels of PD-1, the inhibitory PD-L1 receptor. Significant levels of mRNA for IFN-γ, a major cytokine inducer of PD-L1 expression, were found in HPV+ PD-L1(+) tumors. Our findings support the role of the PD-1:PD-L1 interaction in creating an "immune-privileged" site for initial viral infection and subsequent adaptive immune resistance once tumors are established and suggest a rationale for therapeutic blockade of this pathway in patients with HPV-HNSCC.