Abstract Purpose: To evaluate the effects of BRAF inhibition on the tumor microenvironment in patients with metastatic melanoma. Experimental Design: Thirty-five biopsies were collected from 16 patients with metastatic melanoma pretreatment (day 0) and at 10 to 14 days after initiation of treatment with either BRAF inhibitor alone (vemurafenib) or BRAF + MEK inhibition (dabrafenib + trametinib) and were also taken at time of progression. Biopsies were analyzed for melanoma antigens, T-cell markers, and immunomodulatory cytokines. Results: Treatment with either BRAF inhibitor alone or BRAF + MEK inhibitor was associated with an increased expression of melanoma antigens and an increase in CD8+ T-cell infiltrate. This was also associated with a decrease in immunosuppressive cytokines [interleukin (IL)-6 and IL-8] and an increase in markers of T-cell cytotoxicity. Interestingly, expression of exhaustion markers TIM-3 and PD1 and the immunosuppressive ligand PDL1 was increased on treatment. A decrease in melanoma antigen expression and CD8 T-cell infiltrate was noted at time of progression on BRAF inhibitor alone and was reversed with combined BRAF and MEK inhibition. Conclusions: Together, these data suggest that treatment with BRAF inhibition enhances melanoma antigen expression and facilitates T-cell cytotoxicity and a more favorable tumor microenvironment, providing support for potential synergy of BRAF-targeted therapy and immunotherapy. Interestingly, markers of T-cell exhaustion and the immunosuppressive ligand PDL1 are also increased with BRAF inhibition, further implying that immune checkpoint blockade may be critical in augmenting responses to BRAF-targeted therapy in patients with melanoma. Clin Cancer Res; 19(5); 1225–31. ©2013 AACR.

Individuals with the red hair/fair skin phenotype usually carry a polymorphism in the gene encoding the melanocortin 1 receptor (Mc1r) that results in the production of pigment containing a high pheomelanin-to-eumelanin ratio; here it is shown in a mouse model that inactivation of Mc1r promotes melanoma formation in the presence of the Braf oncogene, thus suggesting that pheomelanin synthesis is carcinogenic by an ultraviolet-radiation-independent mechanism. Individuals with a 'redhead' phenotype — who typically have pale skin, red hair and an inability to tan — often carry a polymorphism in the gene encoding the melanocortin 1 receptor (Mc1r) that reduces its ability to stimulate the production of the black/brown pigment eumelanin from the red/yellow pigment pheomelanin. David Fisher and colleagues report that in a mouse model, inactivation of Mc1r promotes melanoma formation in the presence of BRAFV600E, the most common melanoma oncoprotein, independently of exposure to ultraviolet radiation. They find that it is pheomelanin synthesis per se that promotes melanoma formation, through an increase in oxidative damage, because abrogation of all pigment production in the mice abolishes the effects. In practical terms this suggests that further protective strategies, in addition to avoiding sunlight, could be of benefit in at-risk individuals. People with pale skin, red hair, freckles and an inability to tan—the ‘red hair/fair skin’ phenotype—are at highest risk of developing melanoma, compared to all other pigmentation types1. Genetically, this phenotype is frequently the product of inactivating polymorphisms in the melanocortin 1 receptor (MC1R) gene. MC1R encodes a cyclic AMP-stimulating G-protein-coupled receptor that controls pigment production. Minimal receptor activity, as in red hair/fair skin polymorphisms, produces the red/yellow pheomelanin pigment, whereas increasing MC1R activity stimulates the production of black/brown eumelanin2. Pheomelanin has weak shielding capacity against ultraviolet radiation relative to eumelanin, and has been shown to amplify ultraviolet-A-induced reactive oxygen species3,4,5. Several observations, however, complicate the assumption that melanoma risk is completely ultraviolet-radiation-dependent. For example, unlike non-melanoma skin cancers, melanoma is not restricted to sun-exposed skin and ultraviolet radiation signature mutations are infrequently oncogenic drivers6. Although linkage of melanoma risk to ultraviolet radiation exposure is beyond doubt, ultraviolet-radiation-independent events are likely to have a significant role1,7. Here we introduce a conditional, melanocyte-targeted allele of the most common melanoma oncoprotein, BRAFV600E, into mice carrying an inactivating mutation in the Mc1r gene (these mice have a phenotype analogous to red hair/fair skin humans). We observed a high incidence of invasive melanomas without providing additional gene aberrations or ultraviolet radiation exposure. To investigate the mechanism of ultraviolet-radiation-independent carcinogenesis, we introduced an albino allele, which ablates all pigment production on the Mc1re/e background. Selective absence of pheomelanin synthesis was protective against melanoma development. In addition, normal Mc1re/e mouse skin was found to have significantly greater oxidative DNA and lipid damage than albino-Mc1re/e mouse skin. These data suggest that the pheomelanin pigment pathway produces ultraviolet-radiation-independent carcinogenic contributions to melanomagenesis by a mechanism of oxidative damage. Although protection from ultraviolet radiation remains important, additional strategies may be required for optimal melanoma prevention.

Abstract BRAF-targeted therapy results in objective responses in the majority of patients; however, the responses are short lived (∼6 months). In contrast, treatment with immune checkpoint inhibitors results in a lower response rate, but the responses tend to be more durable. BRAF inhibition results in a more favorable tumor microenvironment in patients, with an increase in CD8+ T-cell infiltrate and a decrease in immunosuppressive cytokines. There is also increased expression of the immunomodulatory molecule PDL1, which may contribute to the resistance. On the basis of these findings, we hypothesized that BRAF-targeted therapy may synergize with the PD1 pathway blockade to enhance antitumor immunity. To test this hypothesis, we developed a BRAF(V600E)/Pten−/− syngeneic tumor graft immunocompetent mouse model in which BRAF inhibition leads to a significant increase in the intratumoral CD8+ T-cell density and cytokine production, similar to the effects of BRAF inhibition in patients. In this model, CD8+ T cells were found to play a critical role in the therapeutic effect of BRAF inhibition. Administration of anti-PD1 or anti-PDL1 together with a BRAF inhibitor led to an enhanced response, significantly prolonging survival and slowing tumor growth, as well as significantly increasing the number and activity of tumor-infiltrating lymphocytes. These results demonstrate synergy between combined BRAF-targeted therapy and immune checkpoint blockade. Although clinical trials combining these two strategies are ongoing, important questions still remain unanswered. Further studies using this new melanoma mouse model may provide therapeutic insights, including optimal timing and sequence of therapy. Cancer Immunol Res; 2(7); 643–54. ©2014 AACR.

Background: The understanding of how varying radiation beam parameter settings affect the induction and magnitude of the FLASH effect remains limited. Purpose: We sought to evaluate how the magnitude of radiation-induced gastrointestinal (GI) toxicity (RIGIT) depends on the interplay between mean dose rate (MDR) and dose per pulse (DPP). Methods: C57BL/6J mice were subjected to total abdominal irradiation (11-14 Gy single fraction) under conventional irradiation (low DPP and low MDR, CONV) and various combinations of DPP and MDR up to ultra-high-dose-rate (UHDR) beam conditions. The effects of DPP were evaluated for DPPs of 1-6 Gy while the total dose and MDR were kept constant; the effects of MDR were evaluated for the range 0.3-1400 Gy/s while the total dose and DPP were kept constant. RIGIT was quantified in non-tumor-bearing mice through the regenerating crypt assay and survival assessment. Tumor response was evaluated through tumor growth delay. Results: Within each tested total dose using a constant MDR (>100 Gy/s), increasing DPP led to better sparing of regenerating crypts, with a more prominent effect seen at 12 and 14 Gy TAI. However, at fixed DPPs >4 Gy, similar sparing of crypts was demonstrated irrespective of MDR (from 0.3 to 1400 Gy/s). At a fixed high DPP of 4.7 Gy, survival was equivalently improved relative to CONV for all MDRs from 0.3 Gy/s to 105 Gy/s, but at a lower DPP of 0.93 Gy, increasing MDR produced a greater survival effect. We also confirmed that high DPP, regardless of MDR, produced the same magnitude of tumor growth delay relative to CONV using a clinically relevant melanoma mouse model. Conclusions: This study demonstrates the strong influence that the beam parameter settings have on the magnitude of the FLASH effect. Both high DPP and UHDR appeared independently sufficient to produce FLASH sparing of GI toxicity, while isoeffective tumor response was maintained across all conditions.

Purpose: Proton FLASH has been investigated using cyclotron and synchrocyclotron beamlines but not synchrotron beamlines. We evaluated the impact of dose rate (ultra-high [UHDR] vs. conventional [CONV]) and beam configuration (shoot-through [ST] vs. spread-out-Bragg-peak [SOBP]) on acute radiation-induced gastrointestinal toxicity (RIGIT) in mice. We also compared RIGIT between synchrotron-based protons and linac-based electrons with matched mean dose rates. Methods and Materials: We administered abdominal irradiation (12-14 Gy single fraction) to female C57BL/6J mice with an 87 MeV synchrotron-based proton beamline (2 cm diameter field size as a lateral beam). Dose rates were 0.2 Gy/s (S-T pCONV), 0.3 Gy/s (SOBP pCONV), 150 Gy/s (S-T pFLASH), and 230 Gy/s (SOBP pFLASH). RIGIT was assessed by the jejunal regenerating crypt assay and survival. We also compared responses to proton [pFLASH and pCONV] with responses to electron CONV (eCONV, 0.4 Gy/s) and electron FLASH (eFLASH, 188-205 Gy/s). Results: The number of regenerating jejunal crypts at each matched dose was lowest for pFLASH (similar between S-T and SOBP), greater and similar between pCONV (S-T and SOBP) and eCONV, and greatest for eFLASH. Correspondingly, mice that received pFLASH SOBP had the lowest survival rates (50% at 50 days), followed by pFLASH S-T (80%), and pCONV SOBP (90%), but 100% of mice receiving pCONV S-T survived (log-rank P = 0.047 for the four groups). Conclusions: Our findings are consistent with an increase in RIGIT after synchrotron-based pFLASH versus pCONV. This negative proton-specific FLASH effect versus linac-based electron irradiation underscores the importance of understanding the physical and biological factors that will allow safe and effective clinical translation.

Introduction Soft tissue sarcomas (STS) of the head and neck (H&N) are rare malignancies that are challenging to manage. We sought to describe the outcomes of patients treated with curative intent using combined surgery and radiation therapy (RT) for H&N STS. Methods We performed a single-institution retrospective review of patients with non-metastatic STS of the H&N who were treated from 1968-2020. The Kaplan-Meier method was used to estimate disease-specific survival (DSS) and local control (LC). Multivariable analyses (MVA) were conducted using Cox proportional hazards model. Results 192 pts had a median follow-up of 82 months. Tumors arose in the neck (n=50, 26%), paranasal sinuses (n=36, 19%), or face (n=23, 12%). Most patients were treated with post-operative RT (n=134, 70%). Post-op RT doses were higher (median 60Gy, pre-op 50Gy, p<0.001). Treatment sequence was not associated with LC (pre-op RT 78% (63-88), post-op RT 75% (66-82), p=0.48). On MVA, positive/uncertain margin was the only variable associated with LC (HR 2.54 (1.34-4.82), p=0.004). LC was significant on MVA (HR 4.48 (2.62-7.67), p<0.001) for DSS. Patients who received post-op RT were less likely to experience a major wound complication (MWC) (7.5% vs 22.4%, HR 0.28 (0.11-0.68), p=0.005). There was no difference in the rate of late toxicities between patients who received pre-op or post-op RT. Conclusions H&N STS continues to have relatively poorer LC than STS of the trunk or extremities. We found LC to be associated with DSS. Timing of RT did not impact oncologic or long-term toxicity outcomes, however pre-op RT did increase the chance of developing a MWC.