ABSTRACT Here, we leveraged a large neoadjuvant PD-1 blockade trial in patients with hepatocellular carcinoma (HCC) to search for correlates of response to immune checkpoint blockade (ICB) within T cell-rich tumors. We show that ICB response correlated with the clonal expansion of intratumoral CXCL13 + CH25H + IL-21 + PD-1 + CD4 T helper cells (CXCL13 + Th) and Granzyme K + PD-1 + effector-like CD8 T cells, whereas terminally exhausted CD39 hi TOX hi PD-1 hi CD8 T cells dominated in non-responders. Strikingly, most T cell receptor (TCR) clones that expanded post-treatment were found in pre-treatment biopsies. Notably, PD-1 + TCF-1 + progenitor-like CD8 T cells were present in tumors of responders and non-responders and shared clones mainly with effector-like cells in responders or terminally differentiated cells in non-responders, suggesting that local CD8 T cell differentiation occurs upon ICB. We found that these progenitor CD8 T cells interact with CXCL13 + Th cells within cellular triads around dendritic cells enriched in maturation and regulatory molecules, or “mregDC”. Receptor-ligand analysis revealed unique interactions within these triads that may promote the differentiation of progenitor CD8 T cells into effector-like cells upon ICB. These results suggest that discrete intratumoral niches that include mregDC and CXCL13 + Th cells control the differentiation of tumor-specific progenitor CD8 T cell clones in patients treated with ICB.

Abstract Advancing novel immunotherapy strategies requires refined tools in preclinical research to thoroughly assess drug targets, biodistribution, safety, and efficacy. Light sheet fluorescence microscopy (LSFM) offers unprecedented fast volumetric ex vivo imaging of large tissue samples in high resolution. Yet, to date laborious and unstandardized tissue processing procedures have limited throughput and broader applications in immunological research. Therefore, we have developed a simple and harmonized protocol for processing, clearing and imaging of all mouse organs and even entire mouse bodies. Applying this Rapid Optical Clearing Kit for Enhanced Tissue Scanning (ROCKETS) in combination with LSFM allowed us to comprehensively study the in vivo biodistribution of an antibody targeting Epithelial Cell Adhesion Molecule (EpCAM) in 3D. Quantitative high-resolution scans of whole organs did not only reveal known EpCAM expression patterns but, importantly, uncovered several new EpCAM-binding sites. We identified choroid plexi in the brain and duodenal papillae as unexpected locations of high EpCAM-expression. These tissue locations may be considered as particularly sensitive sites due their importance for liquor production or as critical junctions draining bile and digestive pancreatic enzymes into the small bowel, respectively. These newly gained insights appear highly relevant for clinical translation of EpCAM-addressing immunotherapies. Thus, ROCKETS in combination with LSFM may help to set new standards for preclinical evaluation of immunotherapeutic strategies. Conclusively, we propose ROCKETS as an ideal platform for a broader application of LSFM in immunological research optimally suited for quantitative co-localization studies of immunotherapeutic drugs and defined cell populations in the microanatomical context of organs or even whole mice.