Evidence from mouse chronic viral infection models suggests that CD8+ T cell subsets characterized by distinct expression levels of the receptor PD-1 diverge in their state of exhaustion and potential for reinvigoration by PD-1 blockade. However, it remains unknown whether T cells in human cancer adopt a similar spectrum of exhausted states based on PD-1 expression levels. We compared transcriptional, metabolic and functional signatures of intratumoral CD8+ T lymphocyte populations with high (PD-1T), intermediate (PD-1N) and no PD-1 expression (PD-1-) from non-small-cell lung cancer patients. PD-1T T cells showed a markedly different transcriptional and metabolic profile from PD-1N and PD-1- lymphocytes, as well as an intrinsically high capacity for tumor recognition. Furthermore, while PD-1T lymphocytes were impaired in classical effector cytokine production, they produced CXCL13, which mediates immune cell recruitment to tertiary lymphoid structures. Strikingly, the presence of PD-1T cells was strongly predictive for both response and survival in a small cohort of non-small-cell lung cancer patients treated with PD-1 blockade. The characterization of a distinct state of tumor-reactive, PD-1-bright lymphocytes in human cancer, which only partially resembles that seen in chronic infection, provides potential avenues for therapeutic intervention.

Summary

 Anti-PD-1 immune checkpoint blockers can induce sustained clinical responses in cancer but how they function in vivo remains incompletely understood. Here, we combined intravital real-time imaging with single-cell RNA sequencing analysis and mouse models to uncover anti-PD-1 pharmacodynamics directly within tumors. We showed that effective antitumor responses required a subset of tumor-infiltrating dendritic cells (DCs), which produced interleukin 12 (IL-12). These DCs did not bind anti-PD-1 but produced IL-12 upon sensing interferon γ (IFN-γ) that was released from neighboring T cells. In turn, DC-derived IL-12 stimulated antitumor T cell immunity. These findings suggest that full-fledged activation of antitumor T cells by anti-PD-1 is not direct, but rather involves T cell:DC crosstalk and is licensed by IFN-γ and IL-12. Furthermore, we found that activating the non-canonical NF-κB transcription factor pathway amplified IL-12-producing DCs and sensitized tumors to anti-PD-1 treatment, suggesting a therapeutic strategy to improve responses to checkpoint blockade.

Depleting regulatory T cells (Treg cells) to counteract immunosuppressive features of the tumor microenvironment (TME) is an attractive strategy for cancer treatment; however, autoimmunity due to systemic impairment of their suppressive function limits its therapeutic potential. Elucidating approaches that specifically disrupt intratumoral Treg cells is direly needed for cancer immunotherapy. We found that CD36 was selectively upregulated in intrautumoral Treg cells as a central metabolic modulator. CD36 fine-tuned mitochondrial fitness via peroxisome proliferator-activated receptor-β signaling, programming Treg cells to adapt to a lactic acid-enriched TME. Genetic ablation of Cd36 in Treg cells suppressed tumor growth accompanied by a decrease in intratumoral Treg cells and enhancement of antitumor activity in tumor-infiltrating lymphocytes without disrupting immune homeostasis. Furthermore, CD36 targeting elicited additive antitumor responses with anti-programmed cell death protein 1 therapy. Our findings uncover the unexplored metabolic adaptation that orchestrates the survival and functions of intratumoral Treg cells, and the therapeutic potential of targeting this pathway for reprogramming the TME. Tumor environments are highly acidic due to high concentrations of lactic acid. Ho and colleagues report that tumor-infiltrating regulatory T cells adapt to this tumor environment by upregulating expression of CD36, which allows them to use fatty acids to fuel their metabolism.

T cell-directed cancer immunotherapy often fails to generate lasting tumor control. Harnessing additional effectors of the immune response against tumors may strengthen the clinical benefit of immunotherapies. Here, we demonstrate that therapeutic targeting of the interferon-γ (IFN-γ)-interleukin-12 (IL-12) pathway relies on the ability of a population of natural killer (NK) cells with tissue-resident traits to orchestrate an antitumor microenvironment. In particular, we used an engineered adenoviral platform as a tool for intratumoral IL-12 immunotherapy (AdV5-IL-12) to generate adaptive antitumor immunity. Mechanistically, we demonstrate that AdV5-IL-12 is capable of inducing the expression of CC-chemokine ligand 5 (CCL5) in CD49a+ NK cells both in tumor mouse models and tumor specimens from patients with cancer. AdV5-IL-12 imposed CCL5-induced type I conventional dendritic cell (cDC1) infiltration and thus increased DC-CD8 T cell interactions. A similar observation was made for other IFN-γ-inducing therapies such as Programmed cell death 1 (PD-1) blockade. Conversely, failure to respond to IL-12 and PD-1 blockade in tumor models with low CD49a+ CXCR6+ NK cell infiltration could be overcome by intratumoral delivery of CCL5. Thus, therapeutic efficacy depends on the abundance of NK cells with tissue-resident traits and, specifically, their capacity to produce the DC chemoattractant CCL5. Our findings reveal a barrier for T cell-focused therapies and offer mechanistic insights into how T cell-NK cell-DC cross-talk can be enhanced to promote antitumor immunity and overcome resistance.

Abstract Immune checkpoint blockade (ICB) has significantly improved the prognosis of cancer patients, but the majority experience limited benefit, evidencing the need for new therapeutic approaches. Upregulation of sialic acid-containing glycans, termed hypersialylation, is a common feature of cancer-associated glycosylation, driving disease progression and immune escape via the engagement of Siglec-receptors on tumor-infiltrating immune cells. Here, we show that tumor sialylation correlates with distinct immune states and reduced survival in human cancers. The targeted removal of Siglec-ligands in the tumor microenvironment, using an antibody-sialidase conjugate, enhances anti-tumor immunity and halts tumor progression in several mouse tumor models. Using single-cell RNA sequencing, we reveal desialylation mechanistically to repolarize tumor-associated macrophages (TAMs) and identify Siglec-E on TAMs as the main receptor for hypersialylation. Finally, we show genetic and therapeutic desialylation, as well as loss of Siglec-E, to synergize with ICB. Thus, therapeutic desialylation represents a novel immunotherapeutic approach, shaping macrophage phenotypes and augmenting the adaptive anti-tumor immune response.

Abstract Naïve T cells remain in an actively maintained state of quiescence until activation by antigenic signals, upon which they start proliferation and generation of effector cells to initiate a functional immune response. Metabolic reprogramming is essential to meet the biosynthetic demands of the differentiation process, and failure to do so can promote the development of hypofunctional exhausted T cells. Here we used 13 C metabolomics and transcriptomics to study the metabolic dynamics of CD8 + T cells in their complete course of differentiation from naïve over stem-like memory to effector cells. The quiescence of naïve T cells was evident in a profound suppression of glucose oxidation and a decreased expression of ENO1 , downstream of which no glycolytic flux was detectable. Moreover, TCA cycle activity was low in naïve T cells and associated with a downregulation of SDH subunits. Upon stimulation and exit from quiescence, the initiation of cell growth and proliferation was accompanied by differential expression of T cell regulatory genes and metabolic reprogramming towards aerobic glycolysis with high rates of nutrient uptake, respiration and lactate production. High flux in anabolic pathways imposed a strain on NADH homeostasis, which coincided with engagement of the proline cycle for mitochondrial redox shuttling. With acquisition of effector functions, cells increasingly relied on glycolysis as opposed to oxidative phosphorylation, which paradoxically was not linked to changes in mitochondrial abundance. We further investigated the metabolic phenotype of exhausted T cells, finding that decreased effector function concurred with a reduction in mitochondrial metabolism, glycolysis and amino acid import, and an upregulation of suppressive and quiescence-associated genes, including TXNIP and KLF2 . Thus, these results identify multiple features critical for the metabolic reprogramming that supports quiescence, proliferation and effector function of CD8 + T cells during differentiation. Further, an impairment of the same processes in exhaustion suggests that targeting these control points may be useful for both modulation of differentiation and prevention of exhaustion.

Abstract T cell-directed cancer immunotherapy often fails to generate lasting tumor control. Harnessing additional effectors of the immune response against tumors may strengthen the clinical benefit of immunotherapies. Here, we demonstrate that therapeutic targeting of the IFNγ-IL-12 pathway relies on the ability of a population of tissue-resident NK (trNK) cells to orchestrate an anti-tumor microenvironment. Particularly, utilizing an engineered adenoviral platform, we show that paracrine IL-12 enhances functional DC-CD8 T cell interactions to generate adaptive anti-tumor immunity. This effect depends on the abundance of trNK cells and specifically their capacity to produce the cDC1-chemoattractant CCL5. Failure to respond to IL-12 and other IFNγ-inducing therapies such as immune checkpoint blockade in tumors with low trNK cell infiltration could be overcome by intra-tumoral delivery of CCL5. Our findings reveal a novel barrier for T cell-focused therapies and offer mechanistic insights into how T cell-NK cell-DC crosstalk can be enhanced to promote anti-tumor immunity and overcome resistance. Significance We identified the lack of CCL5-producing, tissue-resident NK (trNK) cells as a barrier to T cell-focused therapies. While IL-12 induces anti-tumoral DC-T cell crosstalk in trNK cell rich tumors, resistance to IL-12 or anti-PD-1 in trNK cell poor tumors can be overcome by the additional delivery of CCL5.

Adoptive transfer of autologous tumor-infiltrating lymphocyte T cells (TILs) offers one of the most promising approaches for cancer immunotherapy. However, high variability in patient responses highlight the need for an enhanced understanding of the transcriptional phenotypes of TILs and reactivity of their T cell receptors (TCR). Here, we employ single-cell multiomics approaches and TCR functional screening to investigate TILs from treatment-naive non-small cell lung cancer patients. This comprehensive analysis integrates scRNA-seq, scTCR-seq, and scATAC-seq, enabling a high-resolution examination of TILs within lung cancer tissue, as well as the adjacent non-tumor tissue. We apply a cellular functional screening platform to identify reactive TCRs that represent >1,000 TILs and have specificity towards a multitude of targets, including primary tumor cells, neoantigens, tumor-associated antigens, and viral antigens. Tumor-reactive TILs were primarily associated with dysfunctional phenotypes, whereas viral antigen-reactive TCRs were found in effector phenotype clusters. Key marker genes were identified and used to construct a tumor or viral reactivity score. Comparing clones shared in tumor and non-tumor tissue, a higher fraction of exhausted cells was observed in the tumor tissue, whereas non-tumor adjacent tissue possessed more effector cells, thus providing insight into potential sources for therapeutic T cells. Elucidating the specific T cell populations within TILs and their associated TCRs may support strategies to enhance the efficacy of TIL-based therapies.