PD-1/PD-L1-checkpoint blockade therapy is generally thought to relieve tumor cell-mediated suppression in the tumor microenvironment but PD-L1 is also expressed on non-tumor macrophages and conventional dendritic cells (cDCs). Here we show in mouse tumor models that tumor-draining lymph nodes (TDLNs) are enriched for tumor-specific PD-1+ T cells which closely associate with PD-L1+ cDCs. TDLN-targeted PD-L1-blockade induces enhanced anti-tumor T cell immunity by seeding the tumor site with progenitor-exhausted T cells, resulting in improved tumor control. Moreover, we show that abundant PD-1/PD-L1-interactions in TDLNs of nonmetastatic melanoma patients, but not those in corresponding tumors, associate with early distant disease recurrence. These findings point at a critical role for PD-L1 expression in TDLNs in governing systemic anti-tumor immunity, identifying high-risk patient groups amendable to adjuvant PD-1/PD-L1-blockade therapy.

Abstract Monocytes attracted by tumor-induced chronic inflammation differentiate to APCs, the type of which depends on cues in the local tumor milieu. In this work, we studied the influence of human cervical cancer cells on monocyte differentiation and showed that the majority of cancer cells either hampered monocyte to dendritic cell differentiation or skewed their differentiation toward M2-like macrophages. Blocking studies revealed that M2 differentiation was caused by tumor-produced PGE2 and IL-6. TGF-β, IL-10, VEGF, and macrophage colony-stimulating factor did not play a role. Notably, these CD14+CD163+ M2 macrophages were also detected in situ. Activation of cancer cell-induced M2-like macrophages by several TLR-agonists revealed that compared with dendritic cells, these M2 macrophages displayed a tolerogenic phenotype reflected by a lower expression of costimulatory molecules, an altered balance in IL-12p70 and IL-10 production, and a poor capacity to stimulate T cell proliferation and IFN-γ production. Notably, upon cognate interaction with Th1 cells, these tumor-induced M2 macrophages could be switched to activated M1-like macrophages that expressed high levels of costimulatory molecules, produced high amounts of IL-12 and low amounts of IL-10, and acquired the lymphoid homing marker CCR7. The effects of the interaction between M2 macrophages and Th1 cells could partially be mimicked by activation of these APCs via CD40 in the presence of IFN-γ. Our data on the presence, induction, and plasticity of tumor-induced tolerogenic APCs in cervical cancer suggest that tumor-infiltrated Th1 cells can stimulate a tumor-rejecting environment by switching M2 macrophages to classical proinflammatory M1 macrophages.

PD-1/PD-L1 checkpoint therapy for cancer is commonly considered to act by reactivating T cells in the tumor microenvironment. Here, we present data from 2 mouse tumor models demonstrating an essential involvement of tumor-draining lymph nodes in PD-1 and PD-L1 therapeutic efficacy. Immune activation induced by checkpoint treatment was predominantly observed in the tumor-draining, but not nondraining, lymph nodes and was reflected in local accumulation of CD8+ T cells. Surgical resection of these lymph nodes, but not contralateral lymph nodes, abolished therapy-induced tumor regressions and was associated with decreased immune infiltrate in the tumor microenvironment. Moreover, inhibitor FTY720, which locks lymphocytes in lymph organs, also abrogated checkpoint therapy, suggesting that the tumor-draining lymph nodes function as sites of T cell invigoration required for checkpoint blockade therapy. Now that PD-1/PD-L1 checkpoint treatment is applied in earlier clinical stages of cancer, our preclinical data advocate for enrolling patients with their tumor-draining lymph nodes still in place, to optimally engage the antitumor immune response and thereby enhance clinical benefit.

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

CD3 bispecific antibody (CD3 bsAb) therapy has become an established treatment modality for some cancer types and exploits endogenous T cells irrespective of their specificity. However, durable clinical responses are hampered by immune escape through loss of tumor target antigen expression. Induction of long-lasting tumor-specific immunity might therefore improve therapeutic efficacy, but has not been studied in detail yet for CD3 bsAbs. Here, we examined multiple combination strategies aiming to improve survival rates in solid tumors and, simultaneously, install endogenous immunity capable of protection to tumor rechallenge. Two syngeneic mouse tumor models were employed: The immunologically "cold" B16F10 melanoma and the immunologically "hot" MC38.TRP1 colon carcinoma model. Mice were treated with CD3xTRP1 bsAb (murine Fc-inert immunoglobulin G2a) as monotherapy, or in combination with agonistic costimulatory antibodies, Fc-active tumor-opsonizing antibodies, or tumor-(non)specific vaccines. Treatment efficacy of primary tumors and protection from rechallenge was monitored, as well as induction of tumor-specific T-cell responses. In the immunologically "cold" B16F10 model, all combination therapies improved antitumor activity compared with CD3 bsAb monotherapy and induced systemic tumor-specific T-cell responses. However, this endogenous T-cell immunity swiftly waned and failed to protect mice from subsequent tumor rechallenge, except for combination therapy with tumor-specific vaccination. These vaccines strongly improved the therapeutic efficacy of CD3 bsAb against primary tumors and led to long-term immunological protection. In the immunologically "hot" MC38.TRP1 model, CD3 bsAb combined with only the vaccine adjuvant was sufficient to generate protective T-cell immunity and, moreover, prevented tumor escape via antigen loss. These results demonstrate the impact of tumor antigenicity on the induction of protective endogenous antitumor immunity during CD3 bsAb treatment and, importantly, show that the combination with tumor-specific vaccines improves therapeutic efficacy and installs long-term immunological memory in both "hot" and "cold" tumors.