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.

The molecular characterization of immune subsets is important for designing effective strategies to understand and treat diseases. We characterized 29 immune cell types within the peripheral blood mononuclear cell (PBMC) fraction of healthy donors using RNA-seq (RNA sequencing) and flow cytometry. Our dataset was used, first, to identify sets of genes that are specific, are co-expressed, and have housekeeping roles across the 29 cell types. Then, we examined differences in mRNA heterogeneity and mRNA abundance revealing cell type specificity. Last, we performed absolute deconvolution on a suitable set of immune cell types using transcriptomics signatures normalized by mRNA abundance. Absolute deconvolution is ready to use for PBMC transcriptomic data using our Shiny app (https://github.com/giannimonaco/ABIS). We benchmarked different deconvolution and normalization methods and validated the resources in independent cohorts. Our work has research, clinical, and diagnostic value by making it possible to effectively associate observations in bulk transcriptomics data to specific immune subsets.

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.

We consider a diluted and nonsymmetric version of the Little-Hopfield model which can be solved exactly. We obtain the analytic expression of the evolution of one configuration having a finite overlap on one stored pattern. We show that even when the system remembers, two different configurations which remain close to the same pattern never become identical. Lastly, we show that when two stored patterns are correlated, there exists a regime for which the system remembers these patterns without being able to distinguish them.

Langevin equations for the relaxation of spin fluctuations in a soft-spin version of the Edwards-Anderson model are used as a starting point for the study of the dynamic and static properties of spin-glasses. An exact uniform Lagrangian for the average dynamic correlation and response functions is derived for arbitrary range of random exchange, using a functional-integral method proposed by De Dominicis. The properties of the Lagrangian are studied in the mean-field limit which is realized by considering an infinite-ranged random exchange. In this limit, the dynamics are represented by a stochastic equation of motion of a single spin with self-consistent (bare) propagator and Gaussian noise. The low-frequency and the static properties of this equation are studied both above and below ${T}_{c}$. Approaching ${T}_{c}$ from above, spin fluctuations slow down with a relaxation time proportional to ${|T\ensuremath{-}{T}_{c}|}^{\ensuremath{-}1}$ whereas at ${T}_{c}$ the damping function vanishes as ${\ensuremath{\omega}}^{\frac{1}{2}}$. We derive a criterion for dynamic stability below ${T}_{c}$. It is shown that a stable solution necessarily violates the fluctuation-dissipation theorem below ${T}_{c}$. Consequently, the spin-glass order parameters are the time-persistent terms which appear in both the spin correlations and the local response. This is shown to invalidate the treatment of the spin-glass order parameters as purely static quantities. Instead, one has to specify the manner in which they relax in a finite system, along time scales which diverge in the thermodynamic limit. We show that the finite-time correlations decay algebraically with time as ${t}^{\ensuremath{-}\ensuremath{\nu}}$ at all temperatures below ${T}_{c}$, with a temperature-dependent exponent $\ensuremath{\nu}$. Near ${T}_{c}$, $\ensuremath{\nu}$ is given (in the Ising case) as $\ensuremath{\nu}(T)\ensuremath{\sim}\frac{1}{2}\ensuremath{-}{\ensuremath{\pi}}^{\ensuremath{-}1}(\frac{1\ensuremath{-}T}{{T}_{c}})+\ensuremath{\sigma}{(\frac{1\ensuremath{-}T}{{T}_{c}})}^{2}$. A tentative calculation of $\ensuremath{\nu}$ at $T=0$ K is presented. We briefly discuss the physical origin of the violation of the fluctuation-dissipation theorem.

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.

In humans, the pathways of memory and effector T cell differentiation remain poorly defined. We have dissected the functional properties of ex vivo effector-memory (EM) CD45RA-CCR7- T lymphocytes present within the circulating CD8+ T cell pool of healthy individuals. Our studies show that EM T cells are heterogeneous and are subdivided based on differential CD27 and CD28 expression into four subsets. EM(1) (CD27+CD28+) and EM(4) (CD27-CD28+) T cells express low levels of effector mediators such as granzyme B and perforin and high levels of CD127/IL-7Ralpha. EM(1) cells also have a relatively short replicative history and display strong ex vivo telomerase activity. Therefore, these cells are closely related to central-memory (CD45RA-CCR7+) cells. In contrast, EM(2) (CD27+CD28-) and EM(3) (CD27-CD28-) cells express mediators characteristic of effector cells, whereby EM(3) cells display stronger ex vivo cytolytic activity and have experienced larger numbers of cell divisions, thus resembling differentiated effector (CD45RA+CCR7-) cells. These data indicate that progressive up-regulation of cytolytic activity and stepwise loss of CCR7, CD28, and CD27 both characterize CD8+ T cell differentiation. Finally, memory CD8+ T cells not only include central-memory cells but also EM(1) cells, which differ in CCR7 expression and may therefore confer memory functions in lymphoid and peripheral tissues, respectively.

Abstract Although tumor-specific CD8 T-cell responses often develop in cancer patients, they rarely result in tumor eradication. We aimed at studying directly the functional efficacy of tumor-specific CD8 T cells at the site of immune attack. Tumor lesions in lymphoid and nonlymphoid tissues (metastatic lymph nodes and soft tissue/visceral metastases, respectively) were collected from stage III/IV melanoma patients and investigated for the presence and function of CD8 T cells specific for the tumor differentiation antigen Melan-A/MART-1. Comparative analysis was conducted with peripheral blood T cells. We provide evidence that in vivo-priming selects, within the available naive Melan-A/MART-1-specific CD8 T-cell repertoire, cells with high T-cell receptor avidity that can efficiently kill melanoma cells in vitro. In vivo, primed Melan-A/MART-1-specific CD8 T cells accumulate at high frequency in both lymphoid and nonlymphoid tumor lesions. Unexpectedly, however, whereas primed Melan-A/MART-1-specific CD8 T cells that circulate in the blood display robust inflammatory and cytotoxic functions, those that reside in tumor lesions (particularly in metastatic lymph nodes) are functionally tolerant. We show that both the lymph node and the tumor environments blunt T-cell effector functions and offer a rationale for the failure of tumor-specific responses to effectively counter tumor progression.

Background One of the standard options in the treatment of stage IIIA/N2 non-small-cell lung cancer is neoadjuvant chemotherapy and surgery. We did a randomised trial to investigate whether the addition of neoadjuvant radiotherapy improves outcomes. Methods We enrolled patients in 23 centres in Switzerland, Germany and Serbia. Eligible patients had pathologically proven, stage IIIA/N2 non-small-cell lung cancer and were randomly assigned to treatment groups in a 1:1 ratio. Those in the chemoradiotherapy group received three cycles of neoadjuvant chemotherapy (100 mg/m2 cisplatin and 85 mg/m2 docetaxel) followed by radiotherapy with 44 Gy in 22 fractions over 3 weeks, and those in the control group received neoadjuvant chemotherapy alone. All patients were scheduled to undergo surgery. Randomisation was stratified by centre, mediastinal bulk (less than 5 cm vs 5 cm or more), and weight loss (5% or more vs less than 5% in the previous 6 months). The primary endpoint was event-free survival. Analyses were done by intention to treat. This trial is registered with ClinicalTrials.gov, number NCT00030771. Findings From 2001 to 2012, 232 patients were enrolled, of whom 117 were allocated to the chemoradiotherapy group and 115 to the chemotherapy group. Median event-free survival was similar in the two groups at 12·8 months (95% CI 9·7–22·9) in the chemoradiotherapy group and 11·6 months (8·4–15·2) in the chemotherapy group (p=0·67). Median overall survival was 37·1 months (95% CI 22·6–50·0) with radiotherapy, compared with 26·2 months (19·9–52·1) in the control group. Chemotherapy-related toxic effects were reported in most patients, but 91% of patients completed three cycles of chemotherapy. Radiotherapy-induced grade 3 dysphagia was seen in seven (7%) patients. Three patients died in the control group within 30 days after surgery. Interpretation Radiotherapy did not add any benefit to induction chemotherapy followed by surgery. We suggest that one definitive local treatment modality combined with neoadjuvant chemotherapy is adequate to treat resectable stage IIIA/N2 non-small-cell lung cancer. Funding Swiss State Secretariat for Education, Research and Innovation (SERI), Swiss Cancer League, and Sanofi.

Abstract Naturally occurring CD4+CD25+ regulatory T (nTreg) cells are essential for maintaining T cell tolerance to self Ags. We show that discrimination of human Treg from effector CD4+CD25+ non-nTreg cells and their selective survival and proliferation can now be achieved using rapamycin (sirolimus). Human purified CD4+CD25high T cell subsets stimulated via TCR and CD28 or by IL-2 survived and expanded up to 40-fold in the presence of 1 nM rapamycin, while CD4+CD25low or CD4+CD25− T cells did not. The expanding pure populations of CD4+CD25high T cells were resistant to rapamycin-accelerated apoptosis. In contrast, proliferation of CD4+CD25− T cells was blocked by rapamycin, which induced their apoptosis. The rapamycin-expanded CD4+CD25high T cell populations retained a broad TCR repertoire and, like CD4+ CD25+ T cells freshly obtained from the peripheral circulation, constitutively expressed CD25, Foxp3, CD62L, glucocorticoid-induced TNFR family related protein, CTLA-4, and CCR-7. The rapamycin-expanded T cells suppressed proliferation and effector functions of allogeneic or autologous CD4+ and CD8+ T cells in vitro. They equally suppressed Ag-specific and nonspecific responses. Our studies have defined ex vivo conditions for robust expansion of pure populations of human nTreg cells with potent suppressive activity. It is expected that the availability of this otherwise rare T cell subset for further studies will help define the molecular basis of Treg-mediated suppression in humans.