Contemporary approaches for vaccination and immunotherapy are often capable of eliciting strong T-cell responses against tumor antigens. However, such responses are not parallel to clinical tumor regression. The development of evasion mechanisms within tumor microenvironment may be responsible for poor therapeutic responses. We report here that constitutive or inducible expression of B7-H1, a B7 family molecule widely expressed by cancers, confers resistance to therapeutic anti-CD137 antibody in mice with established tumors. The resistance is accompanied with failure of antigen-specific CD8+ CTLs to destroy tumor cells without impairment of CTL function. Blockade of B7-H1 or PD-1 by specific monoclonal antibodies could reverse this resistance and profoundly enhance therapeutic efficacy. Our findings support that B7-H1/PD-1 forms a molecular shield to prevent destruction by CTLs and implicate new approaches for immunotherapy of human cancers.

B7-H1 participates in T-cell costimulation functioning as a negative regulator of immunity. Recent observations suggest that B7-H1 is expressed by renal cell carcinoma (RCC) tumor cells and is associated with poor prognosis. However, outcome analyses have been restricted to patients with fresh-frozen tissue and limited follow-up. We report the clinical effect of B7-H1 in RCC patients with a median of 10 years of follow-up. Between 1990 and 1994, 306 patients underwent nephrectomy for clear cell RCC and had paraffin tissue available for review. We did immunohistochemistry with anti-B7-H1 and conducted outcome analyses. Among the 306 patients, 73 (23.9%) harbored tumors with B7-H1 expression. Patients with tumor B7-H1 were at a significantly increased risk of both death from RCC [risk ratio (RR), 3.92; P < 0.001] and overall mortality (RR, 2.37; P < 0.001). The 5-year cancer-specific survival rates were 41.9% and 82.9% for patients with and without tumor B7-H1, respectively. In a multivariate model, tumor B7-H1 remained associated with cancer-specific death even after adjusting for tumor-node-metastasis stage, grade, and performance status (RR, 2.00; P = 0.003). In the subset of 268 patients with localized RCC, tumor B7-H1 was significantly associated with metastatic cancer progression (RR, 3.46; P < 0.001) and death from RCC (RR, 4.13; P < 0.001) even after adjusting for stage, grade, and performance status (RR, 1.78, P = 0.036). RCC patients with tumor B7-H1 are at significant risk of rapid cancer progression and accelerated rates of mortality. B7-H1 may function as a key determinant in RCC, abrogating immune responses directed against this immunogenic tumor.

Expression of B7-H1, a costimulating glycoprotein in the B7 family, is normally restricted to macrophage-lineage cells, providing a potential costimulatory signal source for regulation of T cell activation. In contrast, aberrant expression of B7-H1 by tumor cells has been implicated in impairment of T cell function and survival, resulting in defective host antitumoral immunity. The relationship between tumor-associated B7-H1 and clinical cancer progression is unknown. Herein, we report B7-H1 expression by both renal cell carcinoma (RCC) tumors of the kidney and RCC tumor-infiltrating lymphocytes. In addition, our analysis of 196 clinical specimens reveals that patients harboring high intratumoral expression levels of B7-H1, contributed by tumor cells alone, lymphocytes alone, or tumor and/or lymphocytes combined, exhibit aggressive tumors and are at markedly increased risk of death from RCC. In fact, patients with high tumor and/or lymphocyte B7-H1 levels are 4.5 times more likely to die from their cancer than patients exhibiting low levels of B7-H1 expression (risk ratio 4.53; 95% confidence interval 1.94–10.56; P < 0.001.) Thus, our study suggests a previously undescribed mechanism whereby RCC may impair host immunity to foster tumor progression. B7-H1 may prove useful as a prognostic variable for RCC patients both pre- and posttreatment. In addition, B7-H1 may represent a promising target to facilitate more favorable responses in patients who require immunotherapy for treatment of advanced RCC.

Abstract Purpose: B7-H1 is expressed by clinically aggressive forms of renal cell carcinoma (RCC) and predicts adverse outcome. B7-H1 is known to impair host immunity via interaction with the Programmed Death-1 (PD-1) receptor, which is expressed by activated T cells. Levels of immune cells expressing PD-1 (PD-1+) in clinical RCC tumors have not been evaluated. Thus, we tested whether immune cell PD-1 expression is observed within aggressive RCC tumors. Experimental Design: Between 2000 and 2003, 267 patients underwent nephrectomy at our institution for clear cell RCC and had fresh-frozen tissue available for review. These RCC specimens were immunostained using anti–PD-1 (clone MIH4) and outcome analyses were conducted. Results: Mononuclear immune cell infiltration was observed in 136 (50.9%) specimens. PD-1+ immune cells were present in 77 of these 136 (56.6%) tumors. In contrast, RCC tumor cells did not express PD-1. Patients with PD-1+ immune cells were significantly more likely to harbor B7-H1+ tumor cells (P &lt; 0.001), larger tumors (P = 0.001), and tumors of higher nuclear grade (P = 0.001). Likewise, intratumoral PD-1+ immune cells were associated with advanced tumor-node-metastasis stage (P = 0.005), coagulative tumor necrosis (P = 0.027), and sarcomatoid differentiation (P = 0.008). With a median follow-up of 2.9 years, 52 patients died from RCC. Univariately, patients with PD-1+ immune cells were at significant risk of cancer-specific death compared with PD-1− patients (risk ratio, 2.24; P = 0.004). Conclusions: Levels of immune cells expressing PD-1 were increased in patients with high-risk RCC tumors. Interactions between immune cell PD-1 and B7-H1 may promote cancer progression by contributing to immune dysfunction in patients with RCC.

Programmed death–ligand 1 (PD-L1) expression on tumor cells is essential for T cell impairment, and PD-L1 blockade therapy has shown unprecedented durable responses in several clinical studies. Although higher expression of PD-L1 on tumor cells is associated with a better immune response after Ab blockade, some PD-L1–negative patients also respond to this therapy. In the current study, we explored whether PD-L1 on tumor or host cells was essential for anti–PD-L1–mediated therapy in 2 different murine tumor models. Using real-time imaging in whole tumor tissues, we found that anti–PD-L1 Ab accumulates in tumor tissues, regardless of the status of PD-L1 expression on tumor cells. We further observed that, while PD-L1 on tumor cells was largely dispensable for the response to checkpoint blockade, PD-L1 in host myeloid cells was essential for this response. Additionally, PD-L1 signaling in defined antigen-presenting cells (APCs) negatively regulated and inhibited T cell activation. PD-L1 blockade inside tumors was not sufficient to mediate regression, as limiting T cell trafficking reduced the efficacy of the blockade. Together, these findings demonstrate that PD-L1 expressed in APCs, rather than on tumor cells, plays an essential role in checkpoint blockade therapy, providing an insight into the mechanisms of this therapy.