Abstract Purpose: Human tumors consist of heterogeneous populations of cells with distinct marker expression and functional properties. In squamous cell carcinoma of the head and neck (SCCHN), CD44 is a well-characterized marker of a resilient subpopulation of cells associated with increased tumorigenesis, radioresistance, and chemoresistance. Evidence indicates that these cells have an immunosuppressive phenotype; however, mechanisms have been elusive. Experimental Design: Using primary human SCCHN tumor samples and patient-derived xenografts, we examined the phenotypes of subsets of tumor cells and investigated mechanisms regulating their immunogenicity. Results: CD44+ cells in primary human SCCHN were found to have an epithelial-to-mesenchymal (EMT) phenotype and were less immunogenic than CD44− cells when cultured with autologous CD8+ tumor-infiltrating T cells. Selective expression of the programmed death-ligand 1 (PD-L1) was observed on CD44+ cells compared with CD44− cells and was associated with constitutive phosphorylation of STAT3 on CD44+ cells. Importantly, inhibition of STAT3 decreased expression of PD-L1 on CD44+ cells. IFNγ treatment preferentially induced even further PD-L1 expression on CD44+ cells and was associated with enhanced IFNγ receptor expression and phosphorylation of STAT1. Finally, the decreased immunogenicity of CD44+ cells was partially reversed by antibody blockade of the programmed death 1 (PD-1) receptor, indicating that the differences in PD-L1 expression between CD44+ and CD44− cells are biologically and clinically relevant. Conclusions: Our findings provide a mechanism by which long-lived CD44+ tumor-initiating cells can selectively evade host immune responses and provide rationale for targeting the PD-1 pathway in the adjuvant therapy setting of SCCHN. Clin Cancer Res; 22(14); 3571–81. ©2016 AACR.

Abstract Organoid tumor models have found application in a growing array of cancer studies due to their ability to closely recapitulate the structural and functional characteristics of solid tumors. However, organoids are too small to be compatible with common radiological tools used in oncology clinics. Here, we present a microscopy method to image 18 F-fluorodeoxyglucose in patient-derived tumor organoids with spatial resolution up to 100-fold better than that of clinical positron emission tomography (PET). When combined with brightfield imaging, this metabolic imaging approach functionally mirrors clinical PET/CT scans and provides a quantitative readout of cell glycolysis. In particular, the specific avidity of a tumor for FDG, or lack thereof, was maintained when the tumor cells were grown ex vivo as tumor organoids. In addition, cisplatin treatment caused a dose-dependent decrease in the metabolic activity of these organoids, with the exception of one patient whose tumor was also resistant to cisplatin treatment. Thus, FDG-imaging of organoids could be used to predict the response of individual patients to different treatments and provide a more personalized approach to cancer care.

Chromatin modifying enzymes are frequently mutated in cancer, resulting in a cascade of epigenetic deregulation. Recent reports indicate that inactivating mutations in the histone methyltransferase NSD1 define an intrinsic subtype of head and neck squamous cell carcinoma (HNSC) that features widespread DNA hypomethylation. Here, we describe a similar DNA hypomethylated subtype of lung squamous cell carcinoma (LUSC) that is enriched for both inactivating mutations and deletions in NSD1. The 'NSD1 subtypes' of HNSC and LUSC are highly correlated at the DNA methylation and gene expression levels, with concordant DNA hypomethylation and overexpression of a strongly overlapping set of genes, a subset of which are also hypomethylated in Sotos syndrome, a congenital growth disorder caused by germline NSD1 mutations. Further, the NSD1 subtype of HNSC displays an 'immune cold' phenotype characterized by low infiltration of tumor-associated leukocytes, particularly macrophages and CD8+ T cells, as well as low expression of genes encoding the immunotherapy target PD-1 immune checkpoint receptor and its ligands PD-L1 and PD-L2. Using an in vivo model, we demonstrate that NSD1 inactivation results in a reduction in the degree of T cell infiltration into the tumor microenvironment, implicating NSD1 as a tumor cell-intrinsic driver of an immune cold phenotype. These data have important implications for immunotherapy and reveal a general role of NSD1 in maintaining epigenetic repression.