Depletion of immune elements before adoptive cell transfer (ACT) can dramatically improve the antitumor efficacy of transferred CD8+ T cells, but the specific mechanisms that contribute to this enhanced immunity remain poorly defined. Elimination of CD4+CD25+ regulatory T (T reg) cells has been proposed as a key mechanism by which lymphodepletion augments ACT-based immunotherapy. We found that even in the genetic absence of T reg cells, a nonmyeloablative regimen substantially augmented CD8+ T cell reactivity to self-tissue and tumor. Surprisingly, enhanced antitumor efficacy and autoimmunity was caused by increased function rather than increased numbers of tumor-reactive T cells, as would be expected by homeostatic mechanisms. The γC cytokines IL-7 and IL-15 were required for augmenting T cell functionality and antitumor activity. Removal of γC cytokine–responsive endogenous cells using antibody or genetic means resulted in the enhanced antitumor responses similar to those seen after nonmyeloablative conditioning. These data indicate that lymphodepletion removes endogenous cellular elements that act as sinks for cytokines that are capable of augmenting the activity of self/tumor-reactive CD8+ T cells. Thus, the restricted availability of homeostatic cytokines can be a contributing factor to peripheral tolerance, as well as a limiting resource for the effectiveness of tumor-specific T cells.

The Wnt pathway has a central role in stem cell regulation. Gattinoni et al. now show that activation of the Wnt signaling cascade in naive CD8+ T cells blocks their differentiation into effector T cells and triggers instead a memory stem cell–like phenotype. These T memory stem cells show enhanced antitumor efficacy in mice compared with other T cell subsets, arguing for their further evaluation in adoptive immunotherapies ( pages 731–732 ). Self-renewing cell populations such as hematopoietic stem cells and memory B and T lymphocytes might be regulated by shared signaling pathways1. The Wnt–β-catenin pathway is an evolutionarily conserved pathway that promotes hematopoietic stem cell self-renewal and multipotency by limiting stem cell proliferation and differentiation2,3, but its role in the generation and maintenance of memory T cells is unknown. We found that induction of Wnt–β-catenin signaling by inhibitors of glycogen sythase kinase-3β or the Wnt protein family member Wnt3a arrested CD8+ T cell development into effector cells. By blocking T cell differentiation, Wnt signaling promoted the generation of CD44lowCD62LhighSca-1highCD122highBcl-2high self-renewing multipotent CD8+ memory stem cells with proliferative and antitumor capacities exceeding those of central and effector memory T cell subsets. These findings reveal a key role for Wnt signaling in the maintenance of 'stemness' in mature memory CD8+ T cells and have major implications for the design of new vaccination strategies and adoptive immunotherapies.

Central memory CD8 + T cells (T CM ) and effector memory CD8 + T cells (T EM ) are found in humans and mice; however, their relative contributions to host immunity have only recently been examined in vivo . Further, the ability of T CM to treat an established tumor or infection has yet to be evaluated. To address the therapeutic potential of different tumor-reactive CD8 + T cell memory subsets, we used an established model for the in vitro generation of T CM and T EM by using IL-15 and IL-2, respectively. Adoptively transferred T CM exhibited a potent in vivo recall response when combined with tumor-antigen vaccination and exogenous IL-2, leading to the eradication of large established tumors. By contrast, T EM were far less effective on a per-cell basis. Microarray analysis revealed that the signature of highly in vivo effective antitumor T cells included the overexpression of genes responsible for trafficking to secondary lymphoid tissues. This gene expression profile correctly predicted the in vitro and in vivo lymphoid-homing attributes of tumor-reactive T cells. Furthermore, we found that homing to secondary lymphoid tissue is required for optimal tumor treatment. Our findings indicated that highly in vivo effective antitumor T cells were those that initially targeted secondary lymphoid tissue, rather than tumor sites, as had previously been postulated. Thus, tumor-reactive CD8 + T cell populations with the phenotypic and functional attributes of T CM may be superior to T EM /effector T cells for adoptive immunotherapies using concomitant tumor-antigen vaccination.

Naive CD8+ T cells rely upon oxidation of fatty acids as a primary source of energy. After antigen encounter, T cells shift to a glycolytic metabolism to sustain effector function. It is unclear, however, whether changes in glucose metabolism ultimately influence the ability of activated T cells to become long-lived memory cells. We used a fluorescent glucose analog, 2-NBDG, to quantify glucose uptake in activated CD8+ T cells. We found that cells exhibiting limited glucose incorporation had a molecular profile characteristic of memory precursor cells and an increased capacity to enter the memory pool compared with cells taking up high amounts of glucose. Accordingly, enforcing glycolytic metabolism by overexpressing the glycolytic enzyme phosphoglycerate mutase-1 severely impaired the ability of CD8+ T cells to form long-term memory. Conversely, activation of CD8+ T cells in the presence of an inhibitor of glycolysis, 2-deoxyglucose, enhanced the generation of memory cells and antitumor functionality. Our data indicate that augmenting glycolytic flux drives CD8+ T cells toward a terminally differentiated state, while its inhibition preserves the formation of long-lived memory CD8+ T cells. These results have important implications for improving the efficacy of T cell–based therapies against chronic infectious diseases and cancer.

CD4+ T cells can differentiate into multiple effector subsets, but the potential roles of these subsets in anti-tumor immunity have not been fully explored. Seeking to study the impact of CD4+ T cell polarization on tumor rejection in a model mimicking human disease, we generated a new MHC class II-restricted, T-cell receptor (TCR) transgenic mouse model in which CD4+ T cells recognize a novel epitope in tyrosinase-related protein 1 (TRP-1), an antigen expressed by normal melanocytes and B16 murine melanoma. Cells could be robustly polarized into Th0, Th1, and Th17 subtypes in vitro, as evidenced by cytokine, chemokine, and adhesion molecule profiles and by surface markers, suggesting the potential for differential effector function in vivo. Contrary to the current view that Th1 cells are most important in tumor rejection, we found that Th17-polarized cells better mediated destruction of advanced B16 melanoma. Their therapeutic effect was critically dependent on interferon-gamma (IFN-gamma) production, whereas depletion of interleukin (IL)-17A and IL-23 had little impact. Taken together, these data indicate that the appropriate in vitro polarization of effector CD4+ T cells is decisive for successful tumor eradication. This principle should be considered in designing clinical trials involving adoptive transfer-based immunotherapy of human malignancies.

Abstract CD4+ T cells control the effector function, memory, and maintenance of CD8+ T cells. Paradoxically, we found that absence of CD4+ T cells enhanced adoptive immunotherapy of cancer when using CD8+ T cells directed against a persisting tumor/self-Ag. However, adoptive transfer of CD4+CD25− Th cells (Th cells) with tumor/self-reactive CD8+ T cells and vaccination into CD4+ T cell-deficient hosts induced autoimmunity and regression of established melanoma. Transfer of CD4+ T cells that contained a mixture of Th and CD4+CD25+ T regulatory cells (Treg cells) or Treg cells alone prevented effective adoptive immunotherapy. Maintenance of CD8+ T cell numbers and function was dependent on Th cells that were capable of IL-2 production because therapy failed when Th cells were derived from IL-2−/− mice. These findings reveal that Th cells can help break tolerance to a persisting self-Ag and treat established tumors through an IL-2-dependent mechanism, but requires simultaneous absence of naturally occurring Treg cells to be effective.

IL-15 and IL-2 possess similar properties, including the ability to induce T cell proliferation. However, whereas IL-2 can promote apoptosis and limit CD8(+) memory T cell survival and proliferation, IL-15 helps maintain a memory CD8(+) T cell population and can inhibit apoptosis. We sought to determine whether IL-15 could enhance the in vivo function of tumor/self-reactive CD8(+) T cells by using a T cell receptor transgenic mouse (pmel-1) whose CD8(+) T cells recognize an epitope derived from the self/melanoma antigen gp100. By removing endogenous IL-15 by using tumor-bearing IL-15 knockout hosts or supplementing IL-15 by means of exogenous administration, as a component of culture media or as a transgene expressed by adoptively transferred T cells, we demonstrate that IL-15 can improve the in vivo antitumor activity of adoptively transferred CD8(+) T cells. These results provide several avenues for improving adoptive immunotherapy of cancer in patients.

Potassium ions released by necrotic cells in tumours impair T cell function by increasing the intracellular potassium concentration in vitro and in vivo. Cell death in tumours is frequently associated with a poor prognosis, a phenomenon that has previously been attributed to rapidly dividing cancer cells in a resource-limited environment. Robert Eil et al. demonstrate that intratumoural cell death in fact plays an active part in suppressing anti-tumour immunity. They show that elevated extracellular potassium in human and mouse tumour interstitial fluid inhibits T-cell-receptor-induced anti-tumour functions in human and mouse T cells. In addition, this immune suppression can be reversed by enabling tumour-specific T cells to efflux potassium through overexpression of the exporter Kcna3. Tumours progress despite being infiltrated by tumour-specific effector T cells1. Tumours contain areas of cellular necrosis, which are associated with poor survival in a variety of cancers2. Here, we show that necrosis releases intracellular potassium ions into the extracellular fluid of mouse and human tumours, causing profound suppression of T cell effector function. Elevation of the extracellular potassium concentration ([K+]e) impairs T cell receptor (TCR)-driven Akt–mTOR phosphorylation and effector programmes. Potassium-mediated suppression of Akt–mTOR signalling and T cell function is dependent upon the activity of the serine/threonine phosphatase PP2A3,4. Although the suppressive effect mediated by elevated [K+]e is independent of changes in plasma membrane potential (Vm), it requires an increase in intracellular potassium ([K+]i). Accordingly, augmenting potassium efflux in tumour-specific T cells by overexpressing the potassium channel Kv1.3 lowers [K+]i and improves effector functions in vitro and in vivo and enhances tumour clearance and survival in melanoma-bearing mice. These results uncover an ionic checkpoint that blocks T cell function in tumours and identify potential new strategies for cancer immunotherapy.

Lymphodepletion with total body irradiation (TBI) increases the efficacy of adoptively transferred tumor-specific CD8+ T cells by depleting inhibitory lymphocytes and increasing homeostatic cytokine levels. We found that TBI augmented the function of adoptively transferred CD8+ T cells in mice genetically deficient in all lymphocytes, indicating the existence of another TBI mechanism of action. Additional investigation revealed commensal gut microflora in the mesenteric lymph nodes and elevated LPS levels in the sera of irradiated mice. These findings correlated with increased dendritic cell activation and heightened levels of systemic inflammatory cytokines. Reduction of host microflora using antibiotics, neutralization of serum LPS using polymyxin B, or removal of LPS signaling components using mice genetically deficient in CD14 and TLR4 reduced the beneficial effects of TBI on tumor regression. Conversely, administration of microbial ligand–containing serum or ultrapure LPS from irradiated animals to nonirradiated antibody-lymphodepleted mice enhanced CD8+ T cell activation and improved tumor regression. Administration of ultrapure LPS to irradiated animals further enhanced the number and function of the adoptively transferred cells, leading to long-term cure of mice with large B16F10 tumors and enhanced autoimmune vitiligo. Thus, disruption of the homeostatic balance between the host and microbes can enhance cell-based tumor immunotherapy.

Abstract IL-2 and IL-21 are closely related cytokines that might have arisen by gene duplication. Both cytokines promote the function of effector CD8+ T cells, but their distinct effects on antigen-driven differentiation of naive CD8+ T cells into effector CD8+ T cells are not clearly understood. We found that antigen-induced expression of Eomesodermin (Eomes) and maturation of naive CD8+ T cells into granzyme B- and CD44-expressing effector CD8+ T cells was enhanced by IL-2, but, unexpectedly, suppressed by IL-21. Furthermore, IL-21 repressed expression of IL-2Ra and inhibited IL-2–mediated acquisition of a cytolytic CD8+ T-cell phenotype. Despite its inhibitory effects, IL-21 did not induce anergy, but instead potently enhanced the capacity of cells to mediate tumor regression upon adoptive transfer. In contrast, IL-2 impaired the subsequent antitumor function of transferred cells. Gene expression studies revealed a distinct IL-21 program that was characterized phenotypically by increased expression of L-selectin and functionally by enhanced antitumor immunity that was not reversed by secondary in vitro stimulation with antigen and IL-2. Thus, the efficacy of CD8+ T cells for adoptive immunotherapy can be influenced by opposing differentiation programs conferred by IL-2 and IL-21, a finding with important implications for the development of cellular cancer therapies.