Abstract Cancer immunotherapies, such as immune checkpoint blockade or adoptive T-cell transfer, can lead to durable responses in the clinic, but response rates remain low due to undefined suppression mechanisms. Solid tumors are characterized by a highly acidic microenvironment that might blunt the effectiveness of antitumor immunity. In this study, we directly investigated the effects of tumor acidity on the efficacy of immunotherapy. An acidic pH environment blocked T-cell activation and limited glycolysis in vitro. IFNγ release blocked by acidic pH did not occur at the level of steady-state mRNA, implying that the effect of acidity was posttranslational. Acidification did not affect cytoplasmic pH, suggesting that signals transduced by external acidity were likely mediated by specific acid-sensing receptors, four of which are expressed by T cells. Notably, neutralizing tumor acidity with bicarbonate monotherapy impaired the growth of some cancer types in mice where it was associated with increased T-cell infiltration. Furthermore, combining bicarbonate therapy with anti-CTLA-4, anti-PD1, or adoptive T-cell transfer improved antitumor responses in multiple models, including cures in some subjects. Overall, our findings show how raising intratumoral pH through oral buffers therapy can improve responses to immunotherapy, with the potential for immediate clinical translation. Cancer Res; 76(6); 1381–90. ©2015 AACR.

Leptomeningeal disease (LMD) occurs when tumors seed into the leptomeningeal space and cerebrospinal fluid (CSF), leading to severe neurological deterioration and poor survival outcomes. We utilized comprehensive multi-omics analyses of CSF from patients with lymphoma LMD to demonstrate an immunosuppressive cellular microenvironment and identified dysregulations in proteins and lipids indicating neurodegenerative processes. Strikingly, we found a significant accumulation of toxic branched-chain keto acids (BCKA) in the CSF of patients with LMD. The BCKA accumulation was found to be a pan-cancer occurrence, evident in lymphoma, breast cancer, and melanoma LMD patients. Functionally, BCKA disrupted the viability and function of endogenous T lymphocytes, chimeric antigen receptor (CAR) T cells, neurons, and meningeal cells. Treatment of LMD mice with BCKA-reducing sodium phenylbutyrate significantly improved neurological function, survival outcomes, and efficacy of anti-CD19 CAR T cell therapy. This is the first report of BCKA accumulation in LMD and provides preclinical evidence that targeting these toxic metabolites improves outcomes.

Therapeutic vaccines are used to boost patient immune system activity by imposing signals that increase T cell proliferation or infiltration. A large population of cytotoxic T cells may then be able to reduce tumor growth. We developed here a mathematical model of vaccine-induced immunotherapy and used it to test the vaccine frequency and doses that can reduce tumor burden. Since tumors are heterogeneous, we examined if the proposed treatments are robust; i.e, are successful for a wide range of tumors. This was assessed by constructing virtual mice cohorts. Together, the optimal and most robust treatment protocol was determined through mathematical modeling.

3075 Background: Magnetoelectric nanoparticles (MENPs) are a novel material with a magnetoelectric (ME) property that allows for conversion of an external magnetic field to a local electric field (EF) that can be exploited to generate a Coulomb force to target and electroporate the relatively non-polarized tumor cell walls. We hypothesized that their local EF and superparamagnetic cores can be exploited as an MRI-based anti-cancer theragnostic agent for solid tumors. Methods: 35 immunocompetent C57BL/6 mice were inoculated with KPC961 pancreatic adenocarcinoma cells in their flank. The 27 mice with the largest tumors at 4 weeks were randomized into 5 cohorts based on treatment: 300 µg of MENP (300; n=6), 600 µg of MENP (600; n=6), 300 µg of low-ME coefficient MENP (LM; n=5), 300 µg of MENP without M1 MRI (NM; MRI field control, n=5), and normal saline (NS; MENP causal effect control; n=5). The 300, 600, LM, and NS cohorts had T 2 MRI maps (M0) on a 7T MRI. NM had T 2 weighted MRIs at M0. All mice had a neodymium magnet placed over their tumors for 12 hours after tail vein injections (300 µl for all mice) for targeting. The 300, 600, LM, and NS cohorts then underwent MRI mapping (M1) after magnet removal (No M1 MRI for NM). MRI mapping was repeated 5 days after (M2). NM had a T 2 weighted MRIs at M2. M1 and M2 data were used to assess relaxation time (contrast effect) and tumor volume from M0, respectively. Student t and ANOVA tests were used to compare differences for tumor volume and relaxation time data and one-sided Fisher’s exact test was used for complete response (CR) data. Results: The median M0 tumor volume was 109.6 mm 3 for all mice, and there were no differences between any cohort ( p = 0.978; Table). The 300 and 600 MENP cohorts demonstrated a 102.7% reduction in volume (M2/M0; 56.7% vs. 159.4% for NS and NM controls, p = <0.001) and a 7.2% T 2 negative contrast effect (M1/M0; 94.2% vs. 101.3% for NS, p = 0.046) compared to controls. Six mice in 300, 600, and LM (2 each) achieved a clinical CR (between 1 to 2 weeks after M1) vs. none in the NS and NM control cohorts ( p = 0.0418), without any recurrences until end of study (6 weeks after M2). Conclusions: This is the first report demonstrating the theragnostic effects of MENPs having both T 2 contrast and locally ablative therapy properties as an in vivo tumor targeting agent. These results confirm prior pilot study and point towards irreversible electroporation as the likely mechanism of action (MOA) since the antitumor effect is not seen within the NM cohort. Additional studies characterizing the MOA, dose-response relationships, and immunomodulatory effects are needed to better understand their full clinical potential.[Table: see text]

ABSTRACT A hybrid off-lattice agent-based model has been developed to reconstruct the tumor tissue oxygenation landscape based on histology images and simulated interactions between vasculature and cells with microenvironment metabolites. Here, we performed a robustness sensitivity analysis of that model’s physical and computational parameters. We found that changes in the domain boundary conditions, the initial conditions, and the Michaelis constant are negligible and, thus, do not affect the model outputs. The model is also not sensitive to small perturbations of the vascular influx or the maximum consumption rate of oxygen. However, the model is sensitive to large perturbations of these parameters and changes in the tissue boundary condition, emphasizing an imperative aim to measure these parameters experimentally.

Lymph nodes are an essential component of the adaptive immune response where antigen-presenting cells are closely housed with their cognate effector cells. Protection of lymph node resident cells from activated immune cells in such close quarters would need to be robust and reversible. Effector functions of T-cells are profoundly and reversibly inhibited by an acidic microenvironment. The underlying mechanisms of this inhibition are unknown, but may relate to glycolysis, which is obligatory for expression of effector functions. Here, we demonstrate that acidification rapidly and potently inhibits monocarboxylate transporter-dependent lactic acid efflux, which dually inhibits glycolysis by end-product accumulation and by reducing cytoplasmic pH. Based on the robustness of these responses, we propose that acid-evoked T-cell inhibition is physiologically important, and that lymph nodes are a natural site for such modulation. Using multiple imaging techniques, we show that paracortical T-zones of lymph nodes are highly acidic. We further show that T-cells can be activated by dendritic cells at low pH, and their effector functions are restored rapidly upon increasing pH. Thus, we describe a novel physiological mechanism whereby activated T-cells are kept in stasis by acidosis whilst resident in lymph nodes.