The results of a phase I trial assessing a personal neoantigen multi-peptide vaccine in patients with melanoma, showing feasibility, safety, and immunogenicity. Neoantigens have long been considered optimal targets for anti-tumour vaccines, and recent mutation coding and prediction techniques have aimed to streamline their identification and selection. Two papers in this issue report results from personalized neoantigen vaccine trials in patients with cancer. Catherine Wu and colleagues report the results of a phase I trial of a personalized cancer vaccine that targets up to 20 patient neoantigens. The vaccine was safe and induced tumour-antigen-specific immune responses. Four out of six patients treated showed no recurrence at 25 months, and progressing patients responded to further therapy with checkpoint inhibitor. Ugur Sahin and colleagues report the first-in-human application of a personalized neoantigen vaccine in patients with melanoma. Their vaccination strategy includes sequencing and computational identification of neoantigens from patients, and design and manufacture of a poly-antigen RNA vaccine for treatment. In 13 patients, the vaccine boosted immunity against some of the selected tumour antigens from the individual patients, and two patients showed infiltration of tumour-reactive T cells. These results suggest that personalized vaccines could be refined and tailored to provide clinical benefit as cancer immunotherapies. Effective anti-tumour immunity in humans has been associated with the presence of T cells directed at cancer neoantigens1, a class of HLA-bound peptides that arise from tumour-specific mutations. They are highly immunogenic because they are not present in normal tissues and hence bypass central thymic tolerance. Although neoantigens were long-envisioned as optimal targets for an anti-tumour immune response2, their systematic discovery and evaluation only became feasible with the recent availability of massively parallel sequencing for detection of all coding mutations within tumours, and of machine learning approaches to reliably predict those mutated peptides with high-affinity binding of autologous human leukocyte antigen (HLA) molecules. We hypothesized that vaccination with neoantigens can both expand pre-existing neoantigen-specific T-cell populations and induce a broader repertoire of new T-cell specificities in cancer patients, tipping the intra-tumoural balance in favour of enhanced tumour control. Here we demonstrate the feasibility, safety, and immunogenicity of a vaccine that targets up to 20 predicted personal tumour neoantigens. Vaccine-induced polyfunctional CD4+ and CD8+ T cells targeted 58 (60%) and 15 (16%) of the 97 unique neoantigens used across patients, respectively. These T cells discriminated mutated from wild-type antigens, and in some cases directly recognized autologous tumour. Of six vaccinated patients, four had no recurrence at 25 months after vaccination, while two with recurrent disease were subsequently treated with anti-PD-1 (anti-programmed cell death-1) therapy and experienced complete tumour regression, with expansion of the repertoire of neoantigen-specific T cells. These data provide a strong rationale for further development of this approach, alone and in combination with checkpoint blockade or other immunotherapies.

Summary

 Immune checkpoint inhibitors (ICIs) produce durable responses in some melanoma patients, but many patients derive no clinical benefit, and the molecular underpinnings of such resistance remain elusive. Here, we leveraged single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) from 33 melanoma tumors and computational analyses to interrogate malignant cell states that promote immune evasion. We identified a resistance program expressed by malignant cells that is associated with T cell exclusion and immune evasion. The program is expressed prior to immunotherapy, characterizes cold niches in situ, and predicts clinical responses to anti-PD-1 therapy in an independent cohort of 112 melanoma patients. CDK4/6-inhibition represses this program in individual malignant cells, induces senescence, and reduces melanoma tumor outgrowth in mouse models in vivo when given in combination with immunotherapy. Our study provides a high-resolution landscape of ICI-resistant cell states, identifies clinically predictive signatures, and suggests new therapeutic strategies to overcome immunotherapy resistance.

SNF'ing out antitumor immunity Immune checkpoint inhibitors induce durable tumor regressions in some, but not all, cancer patients. Understanding the mechanisms that determine tumor sensitivity to these drugs could potentially expand the number of patients who benefit (see the Perspective by Ghorani and Quezada). Pan et al. discovered that tumor cells in which a specific SWI/SNF chromatin remodeling complex had been experimentally inactivated were more sensitive to T cell–mediated killing. The cells were more responsive to interferon-γ, leading to increased secretion of cytokines that promote antitumor immunity. Miao et al. examined the genomic features of tumors from patients with metastatic renal cell carcinoma who had been treated with immune checkpoint inhibitors. Tumors harboring inactivating mutations in PBRM1 , which encodes a subunit of the same SWI/SNF complex, were more likely to respond to the drugs. Science , this issue p. 770 , p. 801 ; see also p. 745

The ability of the immune system to eliminate and shape the immunogenicity of tumours defines the process of cancer immunoediting1. Immunotherapies such as those that target immune checkpoint molecules can be used to augment immune-mediated elimination of tumours and have resulted in durable responses in patients with cancer that did not respond to previous treatments. However, only a subset of patients benefit from immunotherapy and more knowledge about what is required for successful treatment is needed2-4. Although the role of tumour neoantigen-specific CD8+ T cells in tumour rejection is well established5-9, the roles of other subsets of T cells have received less attention. Here we show that spontaneous and immunotherapy-induced anti-tumour responses require the activity of both tumour-antigen-specific CD8+ and CD4+ T cells, even in tumours that do not express major histocompatibility complex (MHC) class II molecules. In addition, the expression of MHC class II-restricted antigens by tumour cells is required at the site of successful rejection, indicating that activation of CD4+ T cells must also occur in the tumour microenvironment. These findings suggest that MHC class II-restricted neoantigens have a key function in the anti-tumour response that is nonoverlapping with that of MHC class I-restricted neoantigens and therefore needs to be considered when identifying patients who will most benefit from immunotherapy.

Respiratory failure is the leading cause of death in patients with severe SARS-CoV-2 infection1,2, but the host response at the lung tissue level is poorly understood. Here we performed single-nucleus RNA sequencing of about 116,000 nuclei from the lungs of nineteen individuals who died of COVID-19 and underwent rapid autopsy and seven control individuals. Integrated analyses identified substantial alterations in cellular composition, transcriptional cell states, and cell-to-cell interactions, thereby providing insight into the biology of lethal COVID-19. The lungs from individuals with COVID-19 were highly inflamed, with dense infiltration of aberrantly activated monocyte-derived macrophages and alveolar macrophages, but had impaired T cell responses. Monocyte/macrophage-derived interleukin-1β and epithelial cell-derived interleukin-6 were unique features of SARS-CoV-2 infection compared to other viral and bacterial causes of pneumonia. Alveolar type 2 cells adopted an inflammation-associated transient progenitor cell state and failed to undergo full transition into alveolar type 1 cells, resulting in impaired lung regeneration. Furthermore, we identified expansion of recently described CTHRC1+ pathological fibroblasts3 contributing to rapidly ensuing pulmonary fibrosis in COVID-19. Inference of protein activity and ligand–receptor interactions identified putative drug targets to disrupt deleterious circuits. This atlas enables the dissection of lethal COVID-19, may inform our understanding of long-term complications of COVID-19 survivors, and provides an important resource for therapeutic development. Lung samples collected soon after death from COVID-19 are used to provide a single-cell atlas of SARS-CoV-2 infection and the ensuing molecular changes.

MICA and MICB are expressed by many human cancers as a result of cellular stress, and can tag cells for elimination by cytotoxic lymphocytes through natural killer group 2D (NKG2D) receptor activation. However, tumors evade this immune recognition pathway through proteolytic shedding of MICA and MICB proteins. We rationally designed antibodies targeting the MICA α3 domain, the site of proteolytic shedding, and found that these antibodies prevented loss of cell surface MICA and MICB by human cancer cells. These antibodies inhibited tumor growth in multiple fully immunocompetent mouse models and reduced human melanoma metastases in a humanized mouse model. Antitumor immunity was mediated mainly by natural killer (NK) cells through activation of NKG2D and CD16 Fc receptors. This approach prevents the loss of important immunostimulatory ligands by human cancers and reactivates antitumor immunity.

Checkpoint blockade with antibodies specific for the PD-1 and CTLA-4 inhibitory receptors can induce durable responses in a wide range of human cancers. However, the immunological mechanisms responsible for severe inflammatory side effects remain poorly understood. Here we report a comprehensive single-cell analysis of immune cell populations in colitis, a common and severe side effect of checkpoint blockade. We observed a striking accumulation of CD8 T cells with highly cytotoxic and proliferative states and no evidence of regulatory T cell depletion. T cell receptor (TCR) sequence analysis demonstrated that a substantial fraction of colitis-associated CD8 T cells originated from tissue-resident populations, explaining the frequently early onset of colitis symptoms following treatment initiation. Our analysis also identified cytokines, chemokines, and surface receptors that could serve as therapeutic targets for colitis and potentially other inflammatory side effects of checkpoint blockade.

Personal neoantigen vaccines have been envisioned as an effective approach to induce, amplify and diversify antitumor T cell responses. To define the long-term effects of such a vaccine, we evaluated the clinical outcome and circulating immune responses of eight patients with surgically resected stage IIIB/C or IVM1a/b melanoma, at a median of almost 4 years after treatment with NeoVax, a long-peptide vaccine targeting up to 20 personal neoantigens per patient ( NCT01970358 ). All patients were alive and six were without evidence of active disease. We observed long-term persistence of neoantigen-specific T cell responses following vaccination, with ex vivo detection of neoantigen-specific T cells exhibiting a memory phenotype. We also found diversification of neoantigen-specific T cell clones over time, with emergence of multiple T cell receptor clonotypes exhibiting distinct functional avidities. Furthermore, we detected evidence of tumor infiltration by neoantigen-specific T cell clones after vaccination and epitope spreading, suggesting on-target vaccine-induced tumor cell killing. Personal neoantigen peptide vaccines thus induce T cell responses that persist over years and broaden the spectrum of tumor-specific cytotoxicity in patients with melanoma. Personalized neoantigen vaccination in patients with melanoma elicits durable and specific memory T cell clones that have cytotoxic gene signatures and can diversify to include nonvaccine neoantigen specificities.

Intestinal stem cells (ISCs) are confined to crypt bottoms and their progeny differentiate near crypt-villus junctions. Wnt and bone morphogenic protein (BMP) gradients drive this polarity, and colorectal cancer fundamentally reflects disruption of this homeostatic signaling. However, sub-epithelial sources of crucial agonists and antagonists that organize this BMP gradient remain obscure. Here, we couple whole-mount high-resolution microscopy with ensemble and single-cell RNA sequencing (RNA-seq) to identify three distinct PDGFRA+ mesenchymal cell types. PDGFRA(hi) telocytes are especially abundant at the villus base and provide a BMP reservoir, and we identified a CD81+ PDGFRA(lo) population present just below crypts that secretes the BMP antagonist Gremlin1. These cells, referred to as trophocytes, are sufficient to expand ISCs in vitro without additional trophic support and contribute to ISC maintenance in vivo. This study reveals intestinal mesenchymal structure at fine anatomic, molecular, and functional detail and the cellular basis for a signaling gradient necessary for tissue self-renewal.

Importance

 Novel approaches are needed to improve outcomes in patients with squamous cell carcinoma of the oral cavity. Neoadjuvant immunotherapy given prior to surgery and combining programmed cell death protein 1 (PD-1) and cytotoxic T-lymphocyte–associated protein 4 (CTLA-4) immune checkpoint inhibitors are 2 strategies to enhance antitumor immune responses that could be of benefit. 

Design, Setting, and Participants

 In this randomized phase 2 clinical trial conducted at 1 academic center, 29 patients with untreated squamous cell carcinoma of the oral cavity (≥T2, or clinically node positive) were enrolled between 2016 to 2019. 

Interventions

 Treatment was administered with nivolumab, 3 mg/kg, weeks 1 and 3, or nivolumab and ipilimumab (ipilimumab, 1 mg/kg, given week 1 only). Patients had surgery 3 to 7 days following cycle 2. 

Main Outcomes and Measures

 Safety and volumetric response determined using bidirectional measurements. Secondary end points included pathologic and objective response, progression-free survival (PFS), and overall survival. Multiplex immunofluorescence was used to evaluate primary tumor immune markers. 

Results

 Fourteen patients were randomized to nivolumab (N) and 15 patients to nivolumab/ipilimumab (N+I) (mean [SD] age, 62 [12] years; 18 men [62%] and 11 women [38%]). The most common subsite was oral tongue (n = 16). Baseline clinical staging included patients with T2 (n = 20) or greater (n = 9) T stage and 17 patients (59%) with node-positive disease. Median time from cycle 1 to surgery was 19 days (range, 7-21 days); there were no surgical delays. There were toxic effects at least possibly related to study treatment in 21 patients, including grade 3 to 4 events in 2 (N), and 5 (N+I) patients. One patient died of conditions thought unrelated to study treatment (postoperative flap failure, stroke). There was evidence of response in both the N and N+I arms (volumetric response 50%, 53%; pathologic downstaging 53%, 69%; RECIST response 13%, 38%; and pathologic response 54%, 73%, respectively). Four patients had major/complete pathologic response greater than 90% (N, n = 1; N+I, n = 3). With 14.2 months median follow-up, 1-year progression-free survival was 85% and overall survival was 89%. 

Conclusions and Relevance

 Treatment with N and N+I was feasible prior to surgical resection. We observed promising rates of response in both arms, supporting further neoadjuvant studies with these agents. 

Trial Registration

 ClinicalTrials.gov Identifier:NCT02919683