Predicting responses to immunotherapy Colon cancers with loss-of-function mutations in the mismatch repair (MMR) pathway have favorable responses to PD-1 blockade immunotherapy. In a phase 2 clinical trial, Le et al. showed that treatment success is not just limited to colon cancer (see the Perspective by Goswami and Sharma). They found that a wide range of different cancer types with MMR deficiency also responded to PD-1 blockade. The trial included some patients with pancreatic cancer, which is one of the deadliest forms of cancer. The clinical trial is still ongoing, and around 20% of patients have so far achieved a complete response. MMR deficiency appears to be a biomarker for predicting successful treatment outcomes for several solid tumors and indicates a new therapeutic option for patients harboring MMR-deficient cancers. Science , this issue p. 409 ; see also p. 358

Enterotoxigenic Bacteroides fragilis, a bacterium from the intestinal flora, may promote colon tumor formation through a pathway that involves Stat3 expression and T helper type 17 immune responses. The intestinal flora may promote colon tumor formation. Here we explore immunologic mechanisms of colonic carcinogenesis by a human colonic bacterium, enterotoxigenic Bacteroides fragilis (ETBF). ETBF that secretes B. fragilis toxin (BFT) causes human inflammatory diarrhea but also asymptomatically colonizes a proportion of the human population. Our results indicate that whereas both ETBF and nontoxigenic B. fragilis (NTBF) chronically colonize mice, only ETBF triggers colitis and strongly induces colonic tumors in multiple intestinal neoplasia (Min) mice. ETBF induces robust, selective colonic signal transducer and activator of transcription-3 (Stat3) activation with colitis characterized by a selective T helper type 17 (TH17) response distributed between CD4+ T cell receptor-αβ (TCRαβ)+ and CD4–8–TCRγδ+ T cells. Antibody-mediated blockade of interleukin-17 (IL-17) as well as the receptor for IL-23, a key cytokine amplifying TH17 responses, inhibits ETBF-induced colitis, colonic hyperplasia and tumor formation. These results show a Stat3- and TH17-dependent pathway for inflammation-induced cancer by a common human commensal bacterium, providing new mechanistic insight into human colon carcinogenesis.

Abstract We examined the immune microenvironment of primary colorectal cancer using immunohistochemistry, laser capture microdissection/qRT-PCR, flow cytometry, and functional analysis of tumor-infiltrating lymphocytes. A subset of colorectal cancer displayed high infiltration with activated CD8+ cytotoxic T lymphocyte (CTL) as well as activated Th1 cells characterized by IFNγ production and the Th1 transcription factor TBET. Parallel analysis of tumor genotypes revealed that virtually all of the tumors with this active Th1/CTL microenvironment had defects in mismatch repair, as evidenced by microsatellite instability (MSI). Counterbalancing this active Th1/CTL microenvironment, MSI tumors selectively demonstrated highly upregulated expression of multiple immune checkpoints, including five—PD-1, PD-L1, CTLA-4, LAG-3, and IDO—currently being targeted clinically with inhibitors. These findings link tumor genotype with the immune microenvironment, and explain why MSI tumors are not naturally eliminated despite a hostile Th1/CTL microenvironment. They further suggest that blockade of specific checkpoints may be selectively efficacious in the MSI subset of colorectal cancer. Significance: The findings reported in this article are the first to demonstrate a link between a genetically defined subtype of cancer and its corresponding expression of immune checkpoints in the tumor microenvironment. The mismatch repair–defective subset of colorectal cancer selectively upregulates at least five checkpoint molecules that are targets of inhibitors currently being clinically tested. Cancer Discov; 5(1); 43–51. ©2014 AACR. See related commentary by Xiao and Freeman, p. 16 This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1

Individuals with sporadic colorectal cancer (CRC) frequently harbor abnormalities in the composition of the gut microbiome; however, the microbiota associated with precancerous lesions in hereditary CRC remains largely unknown. We studied colonic mucosa of patients with familial adenomatous polyposis (FAP), who develop benign precursor lesions (polyps) early in life. We identified patchy bacterial biofilms composed predominately of

Significance We demonstrate, to our knowledge for the first time, that bacterial biofilms are associated with colorectal cancers, one of the leading malignancies in the United States and abroad. Colon biofilms, dense communities of bacteria encased in a likely complex matrix that contact the colon epithelial cells, are nearly universal on right colon tumors. Most remarkably, biofilm presence correlates with bacterial tissue invasion and changes in tissue biology with enhanced cellular proliferation, a basic feature of oncogenic transformation occurring even in colons without evidence of cancer. Microbiome profiling revealed that biofilm communities on paired normal mucosa cluster with tumor microbiomes but lack distinct taxa differences. This work introduces a previously unidentified concept whereby microbial community structural organization exhibits the potential to contribute to disease progression.

Abstract STAT3 activation has been observed in several autoimmune diseases, suggesting that STAT3-mediated pathways promote pathologic immune responses. We provide in vivo evidence that the fundamental role of STAT3 signaling in autoimmunity relates to its absolute requirement for generating TH17 T cell responses. We show that STAT3 is a master regulator of this pathogenic T cell subtype, acting at multiple levels in vivo, including TH17 T cell differentiation and cytokine production, as well as induction of RORγt and the IL-23R. Neither naturally occurring TH17 cells nor TH17-dependent autoimmunity occurs when STAT3 is ablated in CD4 cells. Furthermore, ablation of STAT3 signaling in CD4 cells results in increased TH1 responses, indicating that STAT3 signaling skews TH responses away from the TH1 pathway and toward the TH17 pathway. Thus, STAT3 is a candidate target for TH17-dependent autoimmune disease immunotherapy that could selectively inhibit pathogenic immune pathways.

Engineering a healing immune response Infections, surgeries, and trauma can all cause major tissue damage. Biomaterial scaffolds, which help to guide regenerating tissue, are an exciting emerging therapeutic strategy to promote tissue repair. Sadtler et al. tested how biomaterial scaffolds interact with the immune system in damaged tissue to promote repair (see the Perspective by Badylak). Scaffolds derived from cardiac muscle and bone extracellular matrix components trigger a tissue-reparative T cell immune response in mice with injured muscles. Science , this issue p. 366 ; see also p. 298

Pro-carcinogenic bacteria have the potential to initiate and/or promote colon cancer, in part via immune mechanisms that are incompletely understood. Using ApcMin mice colonized with the human pathobiont enterotoxigenic Bacteroides fragilis (ETBF) as a model of microbe-induced colon tumorigenesis, we show that the Bacteroides fragilis toxin (BFT) triggers a pro-carcinogenic, multi-step inflammatory cascade requiring IL-17R, NF-κB, and Stat3 signaling in colonic epithelial cells (CECs). Although necessary, Stat3 activation in CECs is not sufficient to trigger ETBF colon tumorigenesis. Notably, IL-17-dependent NF-κB activation in CECs induces a proximal to distal mucosal gradient of C-X-C chemokines, including CXCL1, that mediates the recruitment of CXCR2-expressing polymorphonuclear immature myeloid cells with parallel onset of ETBF-mediated distal colon tumorigenesis. Thus, BFT induces a pro-carcinogenic signaling relay from the CEC to a mucosal Th17 response that results in selective NF-κB activation in distal colon CECs, which collectively triggers myeloid-cell-dependent distal colon tumorigenesis.

Many human cancers are dramatically accelerated by chronic inflammation. However, the specific cellular and molecular elements mediating this effect remain largely unknown. Using a murine model of pancreatic intraepithelial neoplasia (PanIN), we found that KrasG12D induces expression of functional IL-17 receptors on PanIN epithelial cells and also stimulates infiltration of the pancreatic stroma by IL-17-producing immune cells. Both effects are augmented by associated chronic pancreatitis, resulting in functional in vivo changes in PanIN epithelial gene expression. Forced IL-17 overexpression dramatically accelerates PanIN initiation and progression, while inhibition of IL-17 signaling using genetic or pharmacologic techniques effectively prevents PanIN formation. Together, these studies suggest that a hematopoietic-to-epithelial IL-17 signaling axis is a potent and requisite driver of PanIN formation.