Abstract Immune-regulated pathways influence multiple aspects of cancer development. In this article we demonstrate that both macrophage abundance and T-cell abundance in breast cancer represent prognostic indicators for recurrence-free and overall survival. We provide evidence that response to chemotherapy is in part regulated by these leukocytes; cytotoxic therapies induce mammary epithelial cells to produce monocyte/macrophage recruitment factors, including colony stimulating factor 1 (CSF1) and interleukin-34, which together enhance CSF1 receptor (CSF1R)–dependent macrophage infiltration. Blockade of macrophage recruitment with CSF1R-signaling antagonists, in combination with paclitaxel, improved survival of mammary tumor–bearing mice by slowing primary tumor development and reducing pulmonary metastasis. These improved aspects of mammary carcinogenesis were accompanied by decreased vessel density and appearance of antitumor immune programs fostering tumor suppression in a CD8+ T-cell–dependent manner. These data provide a rationale for targeting macrophage recruitment/response pathways, notably CSF1R, in combination with cytotoxic therapy, and identification of a breast cancer population likely to benefit from this novel therapeutic approach. Significance: These findings reveal that response to chemotherapy is in part regulated by the tumor immune microenvironment and that common cytotoxic drugs induce neoplastic cells to produce monocyte/macrophage recruitment factors, which in turn enhance macrophage infiltration into mammary adenocarcinomas. Blockade of pathways mediating macrophage recruitment, in combination with chemotherapy, significantly decreases primary tumor progression, reduces metastasis, and improves survival by CD8+ T-cell–dependent mechanisms, thus indicating that the immune microenvironment of tumors can be reprogrammed to instead foster antitumor immunity and improve response to cytotoxic therapy. Cancer Discovery; 1(1); 54–67. ©2011 AACR. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 4

Blockade of colony-stimulating factor-1 (CSF-1) limits macrophage infiltration and improves response of mammary carcinomas to chemotherapy. Herein we identify interleukin (IL)-10 expression by macrophages as the critical mediator of this phenotype. Infiltrating macrophages were the primary source of IL-10 within tumors, and therapeutic blockade of IL-10 receptor (IL-10R) was equivalent to CSF-1 neutralization in enhancing primary tumor response to paclitaxel and carboplatin. Improved response to chemotherapy was CD8(+) T cell-dependent, but IL-10 did not directly suppress CD8(+) T cells or alter macrophage polarization. Instead, IL-10R blockade increased intratumoral dendritic cell expression of IL-12, which was necessary for improved outcomes. In human breast cancer, expression of IL12A and cytotoxic effector molecules were predictive of pathological complete response rates to paclitaxel.

Retrospective clinical studies have used immune-based biomarkers, alone or in combination, to predict survival outcomes for women with breast cancer (BC); however, the limitations inherent to immunohistochemical analyses prevent comprehensive descriptions of leukocytic infiltrates, as well as evaluation of the functional state of leukocytes in BC stroma. To more fully evaluate this complexity, and to gain insight into immune responses after chemotherapy (CTX), we prospectively evaluated tumor and nonadjacent normal breast tissue from women with BC, who either had or had not received neoadjuvant CTX before surgery. Tissues were evaluated by polychromatic flow cytometry in combination with confocal immunofluorescence and immunohistochemical analysis of tissue sections. These studies revealed that activated T lymphocytes predominate in tumor tissue, whereas myeloid lineage cells are more prominant in “normal” breast tissue. Notably, residual tumors from an unselected group of BC patients treated with neoadjuvant CTX contained increased percentages of infiltrating myeloid cells, accompanied by an increased CD8/CD4 T-cell ratio and higher numbers of granzyme B-expressing cells, compared with tumors removed from patients treated primarily by surgery alone. These data provide an initial evaluation of differences in the immune microenvironment of BC compared with nonadjacent normal tissue and reveal the degree to which CTX may alter the complexity and presence of selective subsets of immune cells in tumors previously treated in the neoadjuvant setting.

Abstract Pancreas ductal adenocarcinoma (PDAC) has one of the worst 5-year survival rates of all solid tumors, and thus new treatment strategies are urgently needed. Here, we report that targeting Bruton tyrosine kinase (BTK), a key B-cell and macrophage kinase, restores T cell–dependent antitumor immune responses, thereby inhibiting PDAC growth and improving responsiveness to standard-of-care chemotherapy. We report that PDAC tumor growth depends on cross-talk between B cells and FcRγ+ tumor–associated macrophages, resulting in TH2-type macrophage programming via BTK activation in a PI3Kγ-dependent manner. Treatment of PDAC-bearing mice with the BTK inhibitor PCI32765 (ibrutinib) or by PI3Kγ inhibition reprogrammed macrophages toward a TH1 phenotype that fostered CD8+ T-cell cytotoxicity, and suppressed PDAC growth, indicating that BTK signaling mediates PDAC immunosuppression. These data indicate that pharmacologic inhibition of BTK in PDAC can reactivate adaptive immune responses, presenting a new therapeutic modality for this devastating tumor type. Significance: We report that BTK regulates B-cell and macrophage-mediated T-cell suppression in pancreas adenocarcinomas. Inhibition of BTK with the FDA-approved inhibitor ibrutinib restores T cell–dependent antitumor immune responses to inhibit PDAC growth and improves responsiveness to chemotherapy, presenting a new therapeutic modality for pancreas cancer. Cancer Discov; 6(3); 270–85. ©2015 AACR. See related commentary by Roghanian et al., p. 230. See related article by Pylayeva-Gupta et al., p. 247. See related article by Lee et al., p. 256. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 217

Increased numbers of tumor-infiltrating macrophages correlate with poor disease outcome in patients affected by several types of cancer, including breast and prostate carcinomas. The colony stimulating factor 1 receptor (CSF1R) signaling pathway drives the recruitment of tumor-associated macrophages (TAMs) to the neoplastic microenvironment and promotes the differentiation of TAMs toward a pro-tumorigenic phenotype. Twelve clinical trials are currently evaluating agents that target the CSF1/CSF1R signaling pathway as a treatment against multiple malignancies, including breast carcinoma, leukemia, and glioblastoma. The blockade of CSF1R signaling has been shown to greatly decrease the number of macrophages in a tissue-specific manner. However, additional mechanistic insights are needed in order to understand how macrophages are depleted and the global effects of CSF1R inhibition on other tumor-infiltrating immune cells. Using BLZ945, a highly selective small molecule inhibitor of CSF1R, we show that CSF1R inhibition attenuates the turnover rate of TAMs while increasing the number of CD8+ T cells that infiltrate cervical and breast carcinomas. Specifically, we find that BLZ945 decreased the growth of malignant cells in the mouse mammary tumor virus-driven polyomavirus middle T antigen (MMTV-PyMT) model of mammary carcinogenesis. Furthermore, we show that BLZ945 prevents tumor progression in the keratin 14-expressing human papillomavirus type 16 (K14-HPV-16) transgenic model of cervical carcinogenesis. Our results demonstrate that TAMs undergo a constant turnover in a CSF1R-dependent manner, and suggest that continuous inhibition of the CSF1R pathway may be essential to maintain efficacious macrophage depletion as an anticancer therapy.

Tumors growing in metabolically challenged environments, such as glioblastoma in the brain, are particularly reliant on crosstalk with their tumor microenvironment (TME) to satisfy their high energetic needs. To study the intricacies of this metabolic interplay, we interrogated the heterogeneity of the glioblastoma TME using single-cell and multi-omics analyses and identified metabolically rewired tumor-associated macrophage (TAM) subpopulations with pro-tumorigenic properties. These TAM subsets, termed lipid-laden macrophages (LLMs) to reflect their cholesterol accumulation, are epigenetically rewired, display immunosuppressive features, and are enriched in the aggressive mesenchymal glioblastoma subtype. Engulfment of cholesterol-rich myelin debris endows subsets of TAMs to acquire an LLM phenotype. Subsequently, LLMs directly transfer myelin-derived lipids to cancer cells in an LXR/Abca1-dependent manner, thereby fueling the heightened metabolic demands of mesenchymal glioblastoma. Our work provides an in-depth understanding of the immune-metabolic interplay during glioblastoma progression, thereby laying a framework to unveil targetable metabolic vulnerabilities in glioblastoma.

Abstract Tumor-associated macrophages are key immune cells associated with cancer progression. Here we sought to determine the role of macrophages in castration-resistant prostate cancer (CRPC) using a syngeneic model that reflected the mutational landscape of the disease. A transcriptomic analysis of CRPC tumors following macrophage depletion revealed lower molecular signatures for steroid and bile acid synthesis, indicating potential perturbation of cholesterol metabolism. Since cholesterol is the precursor of the five major classes of steroid hormones, we reasoned that macrophages were regulating androgen biosynthesis within the prostate tumor microenvironment. Indeed, macrophage depletion reduced the levels of androgens within prostate tumors and restricted androgen receptor (AR) nuclear localization in vitro and in vivo . Macrophages were cholesterol rich and had the ability to transfer cholesterol to tumor cells in vitro , and AR nuclear translocation was inhibited by activation of Liver X Receptor (LXR)-β, the master regulator of cholesterol homeostasis. Finally, combining macrophage depletion with androgen deprivation therapy increased survival, supporting the therapeutic potential of targeting macrophages in CRPC.

Collagen deposition and stromal stiffening accompany malignancy, compromise treatment, and promote tumor aggression. Clarifying the molecular nature of and the factors that regulate extracellular matrix stiffening in tumors should identify biomarkers to stratify patients for therapy and therapeutic interventions to improve outcome. We profiled lysyl hydroxylase- and lysyl oxidase-mediated collagen crosslinks and quantified the greatest abundance of total and complex collagen crosslinks in more aggressive human breast cancer subtypes with the stiffest stroma. These tissues also harbored the highest number of tumor-associated macrophages (TAM), whose therapeutic ablation not only reduced metastasis, but also concomitantly decreased accumulation of collagen crosslinks and stromal stiffening. Epithelial-targeted expression of the crosslinking enzyme lysyl oxidase had no impact on collagen crosslinking in PyMT mammary tumors, whereas stromal cell targeting did. Consistently, stromal cells in microdissected human tumors expressed the highest level of collagen crosslinking enzymes. Immunohistochemical analysis of a cohort of breast cancer patient biopsies revealed that stromal expression of lysyl hydroxylase two, an enzyme that induces hydroxylysine aldehyde-derived collagen crosslinks and stromal stiffening correlated significantly disease specific mortality. The findings link tissue inflammation, stromal cell-mediated collagen crosslinking and stiffening to tumor aggression and identify lysyl hydroxylase two as a novel stromal biomarker.

Tumors rapidly ferment glucose to lactic acid even in the presence of oxygen, and coupling high glycolysis with poor perfusion leads to extracellular acidification. Here we demonstrate that acidity, independent from lactate, augments the pro-tumor phenotype of macrophages. We used zwitterionic buffers to show that activating macrophages at pH 6.8 in vitro enhanced an IL-4-driven phenotype as measured by gene expression, cytokine profiling, and functional assays. These results were recapitulated in vivo wherein neutralizing intratumoral acidity reduced the pro-tumor phenotype of macrophages, while also decreasing tumor incidence and invasion in the TRAMP model of prostate cancer. These results were recapitulated using an in silico mathematical model that simulate macrophage responses to environmental signals. By turning off acid-induced cellular responses, our in silico mathematical modeling shows that acid-resistant macrophages can limit tumor progression. In summary, this study suggests that tumor acidity contributes to prostate carcinogenesis by altering the state of macrophage activation.

Abstract Immunotherapy response is associated with the presence of conventional dendritic cells (cDCs). cDC type 1 (cDC1) is critically important for CD8+ T cell activation, cDC type 2 (cDC2) regulates CD4+ T cell responses, and mature regulatory cDCs may dampen T cell responses in the tumor microenvironment (TME). However, we lack a clear understanding of cDC distribution in the human TME, cDC prevalence in metastatic sites, and cDC differences in early- versus late-stage disease. Rapid autopsy specimens of 10 patients with lung adenocarcinoma were evaluated to detect cDCs and immune cells via multiplex immunofluorescence using 18 markers and 42 tumors. First, we found that T cells, cDC1, and cDC2 were confined to stroma, whereas mature regulatory DCs were enriched in tumor, suggesting unique localization-specific functions. Second, lung and lymph node tumors were more enriched in T cells and cDCs than liver tumors, underscoring differences in the TME of metastatic sites. Third, although the proportion of T cells and cDC1 did not differ in different stages, an increase in the proportion of cDC2 and macrophages in late stage suggests potential differences in regulation of T cell responses in different stages. Collectively, these findings provide new, to our knowledge, insights into cDC biology in human cancer that may have important therapeutic implications.