Abstract Background CD3 bispecific antibodies (CD3-bsAbs) require binding of both a tumor-associated surface antigen and CD3 for their immunotherapeutic effect. Their efficacy is, therefore, influenced by the absolute tumor uptake and the extracellular dose. To optimize their currently limited efficacy in solid tumors, increased understanding of their pharmacokinetics and in vivo internalization is needed. Methods Here were studied the pharmacokinetics and in vivo internalization of CD3xTRP1, a fully murine Fc-inert bsAb, in endogenous TRP1-expressing immunocompetent male C57BL/6J mice bearing TRP1-positive and negative tumors over time. Matching bsAbs lacking TRP1- or CD3-binding capacity served as controls. BsAbs were radiolabeled with 111 In to investigate their pharmacokinetics, target binding, and biodistribution through SPECT/CT imaging and ex vivo biodistribution analyses. Co-injection of 111 In- and 125 I-labeled bsAb was performed to investigate the in vivo internalization by comparing tissue concentrations of cellular residing 111 In versus effluxing 125 I. Anti-tumor therapy effects were evaluated by monitoring tumor growth and immunohistochemistry. Results SPECT/CT and biodistribution analyses showed that CD3xTRP1 specifically targeted TRP1-positive tumors and CD3-rich lymphoid organ and uptake peaked 24 hours pi (KPC3-TRP1: 37.7±5.3 %ID/g, spleen: 29.0±3.9 %ID/g). Studies with control bsAbs demonstrated that uptake of CD3xTRP1 in TRP1-positive tumors and CD3-rich tissues was primarily receptor-mediated. Together with CD3xTRP1 in the circulation being mainly unattached, this indicates that CD3 + T cells are generally not traffickers of CD3-bsAbs to the tumor. Additionally, “antigen-sink” effects by TRP1-expressing melanocytes were not observed. We further demonstrated rapid internalization of CD3xTRP1 in KPC3-TRP1 tumors (24h pi: 54.9±2.3% internalized) and CD3-rich tissues (spleen, 24h pi: 79.7±0.9% internalized). Therapeutic effects by CD3xTRP1 were observed for TRP1-positive tumors and consisted of high tumor influx of CD8 + T cells and neutrophils, which corresponded with increased necrosis and growth delay. Conclusions We show that CD3xTRP1 efficiently targets TRP1-positive tumors and CD3-rich tissues primarily through receptor-mediated targeting. We further demonstrate rapid receptor-mediated internalization of CD3xTRP1 in TRP1-positive tumors and CD3-rich tissues. Even though this significantly decreases the therapeutical available dose, CD3xTRP1 still induced effective anti-tumor T-cell responses and inhibited tumor growth. Together, our data on the pharmacokinetics and mechanism of action of CD3xTRP1 pave the way for further optimization of CD3-bsAb therapies. Graphical abstract Imaging the pharmacokinetics and therapeutic availability of the bispecific CD3xTRPl antibody in syngeneic mouse tumor models

Abstract Introduction Combined radiotherapy and immune checkpoint inhibition is a potential treatment option for head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC). Immunocompetent mouse models can help to successfully develop radio- immunotherapy combinations and to increase our understanding of the effects of radiotherapy on the tumor microenvironment for future clinical translation. Therefore, the aim of this study was to develop a homogeneous, reproducible HNSCC model originating from the Mouse Oral Cancer 1 (MOC1) HNSCC cell line, and to explore the radiotherapy-induced changes in its tumor microenvironment, using flow cytometry and PD-L1 microSPECT/CT imaging. Materials and Methods In vivo growing tumors originating from the parental MOC1 line were used to generate single cell derived clones. These clones were screened in vitro for their ability to induce programmed cell death ligand 1 (PD-L1) and major histocompatibility complex class I (MHC-I) following IFNγ exposure. Clones with different IFNγ sensitivity were inoculated in C57BL/6 mice and assessed for tumor outgrowth. The composition of the tumor microenvironment of a stably growing (non)irradiated MOC1-derived clone was assessed by immunohistochemistry, flow cytometry and PD-L1 microSPECT/CT. Results Low in vitro inducibility of MHC-I and PD-L1 by IFNγ was associated with increased tumor outgrowth of MOC1 clones in vivo . Flow cytometry analysis of cells derived from a stable in vivo growing MOC1 clone MOC1.3D5 low showed expression of MHC-I and PD-L1 on several cell populations within the tumor. Upon irradiation, MHC-I and PD-L1 increased on leukocytes (CD45.2 + ) and cancer associated fibroblasts (CD45.2 − /EpCAM − /CD90.1 + ). Furthermore, PD-L1 microSPECT/CT showed increased tumor uptake of radiolabeled PD-L1 antibodies with a heterogeneous spatial distribution of the radio signal, which co-localized with PD-L1 + and CD45.2 + areas. Discussion PD-L1 and MHC-I inducibility by IFNγ in vitro is associated with tumor outgrowth of MOC1 clones in vivo . In tumors originating from a stably growing MOC1-derived clone, expression of these immune-related markers was induced by irradiation shown by flow cytometry on several cell populations within the tumor microenvironment such as immune cells and cancer associated fibroblasts. PD-L1 microSPECT/CT showed increased tumor uptake following radiotherapy, and autoradiography showed correlation of uptake with areas that are heavily infiltrated by immune cells. Knowledge of radiotherapy-induced effects on the tumor microenvironment in this model can help optimize timing and dosage for radio- immunotherapy combination strategies in future research.