Abstract Purpose: We have shown that the aged microenvironment increases melanoma metastasis, and decreases response to targeted therapy, and here we queried response to anti-PD1. Experimental Design: We analyzed the relationship between age, response to anti-PD1, and prior therapy in 538 patients. We used mouse models of melanoma, to analyze the intratumoral immune microenvironment in young versus aged mice and confirmed our findings in human melanoma biopsies. Results: Patients over the age of 60 responded more efficiently to anti-PD-1, and likelihood of response to anti-PD-1 increased with age, even when we controlled for prior MAPKi therapy. Placing genetically identical tumors in aged mice (52 weeks) significantly increased their response to anti-PD1 as compared with the same tumors in young mice (8 weeks). These data suggest that this increased response in aged patients occurs even in the absence of a more complex mutational landscape. Next, we found that young mice had a significantly higher population of regulatory T cells (Tregs), skewing the CD8+:Treg ratio. FOXP3 staining of human melanoma biopsies revealed similar increases in Tregs in young patients. Depletion of Tregs using anti-CD25 increased the response to anti-PD1 in young mice. Conclusions: While there are obvious limitations to our study, including our inability to conduct a meta-analysis due to a lack of available data, and our inability to control for mutational burden, there is a remarkable consistency in these data from over 500 patients across 8 different institutes worldwide. These results stress the importance of considering age as a factor for immunotherapy response. Clin Cancer Res; 24(21); 5347–56. ©2018 AACR. See related commentary by Pawelec, p. 5193

Abstract Clinical trials repurposing lysosomotropic chloroquine (CQ) derivatives as autophagy inhibitors in cancer demonstrate encouraging results, but the underlying mechanism of action remains unknown. Here, we report a novel dimeric CQ (DC661) capable of deacidifying the lysosome and inhibiting autophagy significantly better than hydroxychloroquine (HCQ). Using an in situ photoaffinity pulldown strategy, we identified palmitoyl-protein thioesterase 1 (PPT1) as a molecular target shared across monomeric and dimeric CQ derivatives. HCQ and Lys05 also bound to and inhibited PPT1 activity, but only DC661 maintained activity in acidic media. Knockout of PPT1 in cancer cells using CRISPR/Cas9 editing abrogates autophagy modulation and cytotoxicity of CQ derivatives, and results in significant impairment of tumor growth similar to that observed with DC661. Elevated expression of PPT1 in tumors correlates with poor survival in patients in a variety of cancers. Thus, PPT1 represents a new target in cancer that can be inhibited with CQ derivatives. Significance: This study identifies PPT1 as the previously unknown lysosomal molecular target of monomeric and dimeric CQ derivatives. Genetic suppression of PPT1 impairs tumor growth, and PPT1 levels are elevated in cancer and associated with poor survival. These findings provide a strong rationale for targeting PPT1 in cancer. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 151

ABSTRACT Chimeric antigen receptor (CAR) T cells express antigen-specific synthetic receptors, which upon binding to cancer cells, elicit T cell anti-tumor responses. CAR T cell therapy has enjoyed success in the clinic for hematological cancer indications, giving rise to decade-long remissions in some cases. However, CAR T therapy for patients with solid tumors has not seen similar success. Solid tumors constitute 90% of adult human cancers, representing an enormous unmet clinical need. Current approaches do not solve the central problem of limited ability of therapeutic cells to migrate through the stromal matrix. We discover that T cells at low and high density display low- and high-migration phenotypes, respectively. The highly migratory phenotype is mediated by a paracrine pathway from a group of self-produced cytokines that include IL5, TNFα, IFNγ, and IL8. We exploit this finding to “lock-in” a highly migratory phenotype by developing and expressing receptors, which we call velocity receptors (VRs). VRs target these cytokines and signal through these cytokines’ cognate receptors to increase T cell motility and infiltrate lung, ovarian, and pancreatic tumors in large numbers and at doses for which control CAR T cells remain confined to the tumor periphery. In contrast to CAR therapy alone, VR-CAR T cells significantly attenuate tumor growth and extend overall survival. This work suggests that approaches to the design of immune cell receptors that focus on migration signaling will help current and future CAR cellular therapies to infiltrate deep into solid tumors.

Abstract Aged patients with melanoma (>65 years old) have more aggressive disease relative to young patients (<55 years old) for reasons that are not completely understood. Analysis of the young and aged secretome from human dermal fibroblasts identified >5-fold levels of IGF-binding protein 2 (IGFBP2) in the aged fibroblast secretome. IGFBP2 functionally triggers upregulation of the PI3K-dependent fatty acid biosynthesis program in melanoma cells. Melanoma cells co-cultured with aged dermal fibroblasts have higher levels of lipids relative to those co-cultured with young dermal fibroblasts, which can be lowered by silencing IGFBP2 expression in fibroblasts prior to treating with conditioned media. Conversely, ectopically treating melanoma cells with recombinant IGFBP2 in the presence of conditioned media from young fibroblasts or overexpressing IGFBP2 in melanoma cells promoted lipid synthesis and accumulation in melanoma cells. Treatment of young mice with rIGFBP2 increases tumor growth. Neutralizing IGFBP2 in vitro reduces migration and invasion in melanoma cells, and in vivo studies demonstrate that neutralizing IGFBP2 in syngeneic aged mice reduces tumor growth and metastasis. Our results suggest that aged dermal fibroblasts increase melanoma cell aggressiveness through increased secretion of IGFBP2, stressing the importance of considering age when designing studies and treatment. Significance: The aged microenvironment drives metastasis in melanoma cells. This study reports that IGFBP2 secretion by aged fibroblasts induces lipid accumulation in melanoma cells, driving an increase in tumor invasiveness. Neutralizing IGFBP2 decreases melanoma tumor growth and metastasis.

Cellular plasticity describes the ability of cells to transition from one set of phenotypes to another. In the context of cancer therapeutics, plasticity refers to transient fluctuations in the molecular state of tumor cells, driving the formation of rare cells primed to survive drug treatment and ultimately reprogram into a stably resistant fate. However, the biological processes governing this cellular plasticity remain unknown. We used CRISPR/Cas9 genetic screens to reveal genes that affect cell fate decisions by altering cellular plasticity across a range of functional categories. We found that cellular plasticity and cell fate decision making can be decoupled in that factors can affect cell fate decisions in both plasticity-dependent and independent manners. We discovered a novel mode of altering resistance based on cellular plasticity that, contrary to known mechanisms, pushes cells towards a more differentiated state. We further confirmed our prediction that manipulating cellular plasticity before the addition of the main therapy would result in changes in therapy resistance more than concurrent administration. Together, our results indicate that identifying pathways modulating cellular plasticity has the potential to alter cell fate decisions and may provide a new avenue for treating drug resistance.

Aged melanoma patients (>65 years old) have more aggressive disease relative to young patients (<55 years old) for reasons that are not completely understood. Analysis of the young and aged secretome from human dermal fibroblasts identified >5-fold levels of insulin-like growth factor binding protein 2 (IGFBP2) in the aged fibroblast secretome. IGFBP2 functionally triggers upregulation of the PI3K-dependent fatty acid biosynthesis program in melanoma cells through increases in FASN. Melanoma cells co-cultured with aged dermal fibroblasts have higher levels of lipids relative to young dermal fibroblasts, which can be lowered by silencing IGFBP2 expression in fibroblasts, prior to treating with conditioned media. Conversely, ectopically treating melanoma cells with recombinant IGFBP2 in the presence of conditioned media from young fibroblasts, promoted lipid synthesis and accumulation in the melanoma cells. Neutralizing IGFBP2 in vitro reduces migration and invasion in melanoma cells, and in vivo studies demonstrate that neutralizing IGFBP2 in syngeneic aged mice, ablates tumor growth as well as metastasis. Conversely, ectopic treatment of young mice with IGFBP2 in young mice increases tumor growth and metastasis. Our data reveal that aged dermal fibroblasts increase melanoma cell aggressiveness through increased secretion of IGFBP2, stressing the importance of considering age when designing studies and treatment.The aged microenvironment drives metastasis in melanoma cells. This study reports that IGFBP2 secretion by aged fibroblasts induces FASN in melanoma cells and drives metastasis. Neutralizing IGFBP2 decreases melanoma tumor growth and metastasis.