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.

Cancer somatic mutations have been identified as a source of antigens that can be targeted by cancer immunotherapy. In this work, expanding on previous studies, we analyse the immunogenic properties of mutations that are known to drive resistance to cancer targeted-therapies. We survey a large dataset of mutations that confer resistance to different drugs and occur in numerous genes and tumour types. We show that a significant number of these mutations are predicted in silico to have immunogenic potential across a large proportion of the human population. Two of these mutations had previously been experimentally validated and it was confirmed that some of their associated neopeptides elicit T-cell responses in vitro. The identification of potent cancer-specific antigens can be instrumental for developing more effective immunotherapies. Resistance mutations, several of which are known to recur in different patients, could be of particular interest in the context of off-the-shelf precision immunotherapies such as therapeutic cancer vaccines.

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.

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 Background There has been limited success of cancer immunotherapies in the treatment of ovarian cancer (OvCa) to date, largely due to the immunosuppressive tumour microenvironment (TME). Tumour-associated macrophages (TAMs) are a major component of both the primary tumour and malignant ascites, promoting tumour growth, angiogenesis, metastasis, chemotherapy resistance and immunosuppression. Differential microRNA (miRNA) profiles have been implicated in the plasticity of TAMs. Therefore, delivering miRNA to TAMs to promote an anti-tumour phenotype is a novel approach to reverse their pro-tumour activity and enhance the efficacy of cancer immunotherapies. Oncolytic viruses (OVs) preferentially replicate in tumour cells making them ideal vehicles to deliver miRNA mimetics to the TME. Importantly, miRNA expressed by OVs get packaged within tumour-derived extracellular vesicles (TDEVs), and release of TDEV is augmented by OV infection, thus enhancing the dissemination of miRNA throughout the TME. Method Small RNAseq was used to identify differentially expressed miRNA during TAM generation and following LPS/IFNγ stimulation to induce an anti-tumour phenotype. Two differentially expressed miRNA identified, miR-155 and miR-19a, were cloned into oncolytic rhabdovirus (ORV), and anti-tumour efficacy was investigated using both in vitro and in vivo models of OvCa. Results This study demonstrates that ORV infection enhances TDEV production in OvCa cell lines both in vitro and in vivo and that TDEV are preferentially taken up by myeloid cells, including TAMs. Small RNAseq identified 23 miRNAs that were significantly upregulated in anti-tumour TAMs, including miR-155-5p. While 101 miRNAs were downregulated during pro-tumour TAM differentiation, including miR-19a-3p. Culturing TDEV expressing miR-155 or miR-19a with TAMs reversed their immunosuppressive activity, as measured by T cell proliferation. While ORV-miR-155 enhanced the generation of anti-tumour T cells, only ORV-miR19a significantly improved survival of mice bearing ovarian tumours. Conclusion This study demonstrates (i) that arming ORVs with immunomodulatory miRNA is an effective approach to deliver miRNA to myeloid cells within the TME and (ii) that miRNA have the capacity to reverse the tumour promoting properties of TAMs and improve the efficacy of cancer immunotherapies, such as OV.

Abstract Cytoplasmic pattern recognition receptors (PRRs) for double-stranded RNA (RIG-I/MDA5) are key mediators of anti-viral responses. PRR agonists, such as dsRNA oncolytic Reovirus type 3 Dearing (Rt3D), potently activate RNA sensors. We used an unbiased cytotoxicity screen to reveal synergistic drug-virotherapy combinations and found potent effects of Rt3D combined with the CDK4/6 inhibitor, palbociclib. The combination augmented oncolytic virus-induced endoplasmic reticulum (ER) stress/unfolded protein response (UPR) and the expression and activation/signaling of RNA sensors. Combined Rt3D-palbociclib treatment potently increased interferon production and signaling, and knockdown studies implicated key UPR proteins and the RNA sensor, RIG-I, as essential to the phenotype observed. Further experiments, using canonical RIG-I agonists and an ER stress inducer, thapsigargin, confirmed cross-talk between RNA sensing and ER stress pathways that augmented cancer cell death and interferon production. Combined Rt3D-palbociclib also increased innate immune activation within tumour cells and IFN-induced HLA expression. Analysis of the immunopeptidome revealed changes to HLA-captured peptides with Rt3D-palbociclib, including altered expression of peptides from cancer/testis antigens (CTA) and endogenous retroviral elements (ERVs). Our findings highlight cross-talk between UPR signaling and RNA-mediated PRR activation as a means of enhancing anti-cancer efficacy with potential pro-immunogenic consequences. This has implications for future clinical development of PRR agonists and oncolytic viruses, and broadens the therapeutic remit of CDK4/6 inhibitors to include roles as both ER stress and dsRNA PRR sensitizers.