Abstract Background Over the past decade, cancer immunotherapies have revolutionised the treatment of melanoma; however, responses vary across patient populations. Recently, baseline tumour size has been identified as an independent prognostic factor for overall survival in melanoma patients receiving immune checkpoint inhibitors (ICIs). MG1 is a novel oncolytic agent with broad tumour tropism that has recently entered early phase clinical trials. The aim of this study was to characterise T cell responses in human and mouse melanoma models following MG1 treatment and to establish if features of the tumour immune microenvironment (TIME) at two distinct tumour burdens would impact the efficacy of oncolytic virotherapy. Methods Human 3D in vitro priming assays were performed to measure anti-tumour and anti-viral T cell responses following MG1 infection. TCR sequencing, T2 killing assay, and peptide recall assays were used to assess the evolution of the TCR repertoire, and measure specific T cell responses, respectively. In vivo , subcutaneous 4434 melanomas were characterised using RNAseq, immunohistochemistry (IHC), and flow cytometry. The effectiveness of intra-tumoural MG1 was assessed in advancing 4434 tumours and the generation of anti-tumour and anti-viral T cells measured by splenocyte recall assays. Finally, combination MG1 and α-PD-1 therapy was investigated in advanced 4434 tumours. Results MG1 effectively primed functional cytotoxic T cells (CTLs) against tumour associated antigens (TAA) as well as virus-derived peptides, as assessed using peptide recall and T2 killing assays, respectively. TCR sequencing revealed that MG1-primed CTL comprised larger clusters of similar CDR3 amino acid sequences compared to controls. In vivo testing of MG1 demonstrated that MG1 monotherapy was highly effective at treating early disease, resulting in 90% cures; however, the efficacy of MG1 reduced as the disease burden (local tumour size) increased, and the addition of α-PD-1 was required to overcome resistance in more advanced disease. Differential gene expression profiles revealed that increased tumour burden was associated with an immunologically colder TIME. Furthermore, analysis of TCR signalling in advancing tumours demonstrated a different dynamic of TCR engagement compared to smaller tumours, in particular a shift in antigen recognition by CD4+ cells, from conventional to regulatory subset. Conclusion Combination of MG1 with αPD-1 overcomes therapy resistance in an immunologically ‘cold’ model of advanced melanoma.

Abstract Oncolytic Reovirus type 3 Dearing (RT3D), is a naturally occurring double-stranded (ds) RNA virus that is under development as an oncolytic immunotherapy We used an unbiased high-throughput cytotoxicity screen of different targeted therapeutic agents with the aim of identifying potential drug-viral sensitizers to enhance RT3D tumour killing. Talazoparib, a clinical poly(ADP)-ribose polymerase 1 (PARP-1) inhibitor, was identified as a top hit and found to cause profound sensitisation to RT3D. This effect was not seen with other classes of oncolytic virus and was not mediated by enhanced viral replication or PARP inhibitor-related effects on the DNA damage response. RT3D interacts with retinoic acid-induced gene-1 (RIG-I) and activates PARP-1, with consequent PARylation of components of the extrinsic apoptosis pathway. Pharmacological and genetic inhibition of PARP-1 abrogates this PARylation and increases levels of extrinsic apoptosis, NF-kB signalling and pro-inflammatory cell death. Direct interaction between PARP-1 and RIG-I following RT3D/talazoparib treatment is a key factor in activating downstream signaling pathways that lead to IFN-β and TNF-α/TRAIL production which, in turn, amplify the therapeutic effect through positive feedback. Critically, it was possible to phenocopy the effect of RT3D through the use of non-viral ds-RNA therapy and RIG-I agonism. In in vivo studies, we demonstrated profound combinatorial efficacy of RT3D and talazoparib in human A375 melanoma in immunodeficient mice. More impressively, in immunocompetent mouse models of 4434 murine melanoma, we achieved 100% tumour control and protection from subsequent tumour rechallenge with the combination regimen. Correlative immunophenotyping confirmed significant innate and adaptive immune activation with the combination of RT3D and PARP inhibition. Taken together, these data provide a clear line of sight to clinical translation of combined regimens of PARP inhibition or ds-RNA agonism, with either viral or non-viral agents, in tumour types beyond the relatively narrow confines of current licensed indications for PARP inhibition.

Background Over the past decade, cancer immunotherapies have revolutionized the treatment of melanoma; however, responses vary across patient populations. Recently, baseline tumor size has been identified as an independent prognostic factor for overall survival in patients with melanoma receiving immune checkpoint inhibitors. MG1 is a novel oncolytic agent with broad tumor tropism that has recently entered early-phase clinical trials. The aim of this study was to characterize T-cell responses in human and mouse melanoma models following MG1 treatment and to establish if features of the tumor immune microenvironment (TIME) at two distinct tumor burdens would impact the efficacy of oncolytic virotherapy. Methods Human three-dimensional in vitro priming assays were performed to measure antitumor and antiviral T-cell responses following MG1 infection. T-cell receptor (TCR) sequencing, T2 killing assay, and peptide recall assays were used to assess the evolution of the TCR repertoire, and measure specific T-cell responses, respectively. In vivo, subcutaneous 4434 melanomas were characterized using RNA sequencing, immunohistochemistry, and flow cytometry. The effectiveness of intratumoral MG1 was assessed in advancing 4434 tumors and the generation of antitumor and antiviral T cells measured by splenocyte recall assays. Finally, combination MG1 and programmed cell death protein-1 antibody (αPD-1) therapy was investigated in advanced 4434 tumors. Results MG1 effectively supported priming of functional cytotoxic T cells (CTLs) against tumor-associated antigens as well as virus-derived peptides, as assessed using peptide recall and T2 killing assays, respectively. TCR sequencing revealed that MG1-primed CTL comprised larger clusters of similar CDR3 amino acid sequences compared with controls. In vivo testing of MG1 demonstrated that MG1 monotherapy was highly effective at treating early disease, resulting in 90% cures; however, the efficacy of MG1 reduced as the disease burden (local tumor size) increased, and the addition of αPD-1 was required to overcome resistance in more advanced disease. Differential gene expression profiles revealed that increased tumor burden was associated with an immunologically colder TIME. Furthermore, analysis of TCR signaling in advancing tumors demonstrated a different dynamic of TCR engagement compared with smaller tumors, in particular a shift in antigen recognition by CD4+ cells, from conventional to regulatory subsets. Conclusion Addition of αPD-1 to MG1 is required to overcome viral therapy resistance in immunologically ‘colder’ more advanced melanoma, highlighting the importance of tumor burden to different types of immunotherapy.