Abstract A challenge in oncology is to rationally and effectively integrate immunotherapy with traditional modalities, including radiotherapy. Here, we demonstrate that radiotherapy induces tumor-cell ferroptosis. Ferroptosis agonists augment and ferroptosis antagonists limit radiotherapy efficacy in tumor models. Immunotherapy sensitizes tumors to radiotherapy by promoting tumor-cell ferroptosis. Mechanistically, IFNγ derived from immunotherapy-activated CD8+ T cells and radiotherapy-activated ATM independently, yet synergistically, suppresses SLC7A11, a unit of the glutamate–cystine antiporter xc−, resulting in reduced cystine uptake, enhanced tumor lipid oxidation and ferroptosis, and improved tumor control. Thus, ferroptosis is an unappreciated mechanism and focus for the development of effective combinatorial cancer therapy. Significance: This article describes ferroptosis as a previously unappreciated mechanism of action for radiotherapy. Further, it shows that ferroptosis is a novel point of synergy between immunotherapy and radiotherapy. Finally, it nominates SLC7A11, a critical regulator of ferroptosis, as a mechanistic determinant of synergy between radiotherapy and immunotherapy. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1631

Purpose Data guiding selection of nonsurgical treatment of hepatocellular carcinoma (HCC) are lacking. We therefore compared outcomes between stereotactic body radiotherapy (SBRT) and radiofrequency ablation (RFA) for HCC. Patients and Methods From 2004 to 2012, 224 patients with inoperable, nonmetastatic HCC underwent RFA (n = 161) to 249 tumors or image-guided SBRT (n = 63) to 83 tumors. We applied inverse probability of treatment weighting to adjust for imbalances in treatment assignment. Freedom from local progression (FFLP) and toxicity were retrospectively analyzed. Results RFA and SBRT groups were similar with respect to number of lesions treated per patient, type of underlying liver disease, and tumor size (median, 1.8 v 2.2 cm in maximum diameter; P = .14). However, the SBRT group had lower pretreatment Child-Pugh scores (P = .003), higher pretreatment alpha-fetoprotein levels (P = .04), and a greater number of prior liver-directed treatments (P < .001). One- and 2-year FFLP for tumors treated with RFA were 83.6% and 80.2% v 97.4% and 83.8% for SBRT. Increasing tumor size predicted for FFLP in patients treated with RFA (hazard ratio [HR], 1.54 per cm; P = .006), but not with SBRT (HR, 1.21 per cm; P = .617). For tumors ≥ 2 cm, there was decreased FFLP for RFA compared with SBRT (HR, 3.35; P = .025). Acute grade 3+ complications occurred after 11% and 5% of RFA and SBRT treatments, respectively (P = .31). Overall survival 1 and 2 years after treatment was 70% and 53% after RFA and 74% and 46% after SBRT. Conclusion Both RFA and SBRT are effective local treatment options for inoperable HCC. Although these data are retrospective, SBRT appears to be a reasonable first-line treatment of inoperable, larger HCC.

ABSTRACT H3K27M diffuse intrinsic pontine gliomas (DIPG) exhibit cellular heterogeneity comprising less-differentiated, stem-like glioma cells that resemble oligodendrocyte precursors (OPC) and more differentiated astrocyte (AC)-like cells. H3K27M DIPG stem-like cells exhibit tumor-seeding capabilities in vivo , a feature lost or greatly diminished in the more differentiated AC-like cells. In this study, we established isogenic in vitro models of DIPG that closely recapitulated the OPC-like and AC-like phenotypes of DIPG cells. Using these tools, we performed transcriptomics, metabolomics, and bioenergetic profiling to identify metabolic programs operative in the different cellular states. From this, we defined new strategies to selectively target metabolic vulnerabilities within the specific tumor populations. Namely, we showed that the AC-like cells exhibited a more mesenchymal phenotype and were thus sensitized to ferroptotic cell death. In contrast, OPC-like cells upregulated cholesterol metabolism and mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) and were accordingly more sensitive to statins and OXPHOS inhibitors. Additionally, statins and OXPHOS inhibitors showed efficacy and extended survival in preclinical orthotopic models established with stem-like H3K27M DIPG cells. Together, this study demonstrates that cellular subtypes within DIPGs harbor distinct metabolic vulnerabilities that can be uniquely and selectively targeted for therapeutic gain.

Abstract End stage liver disease is marked by portal hypertension, systemic elevations in ammonia, and development of hepatocellular carcinoma (HCC). While these clinical consequences of cirrhosis are well described, it remains poorly understood whether hepatic insufficiency and the accompanying elevations in ammonia contribute to HCC carcinogenesis. Using preclinical models, we discovered that ammonia entered the cell through the transporter SLC4A11 and served as a nitrogen source for amino acid and nucleotide biosynthesis. Elevated ammonia promoted cancer stem cell properties in vitro and tumor initiation in vivo . Enhancing ammonia clearance reduced HCC stemness and tumor growth. In patients, elevations in serum ammonia were associated with an increased incidence of HCC. Taken together, this study forms the foundation for clinical investigations using ammonia lowering agents as potential therapies to mitigate HCC incidence and aggressiveness.

Sex differences in immune responses impact cancer outcomes and treatment response, including in glioblastoma (GBM). However, host factors underlying sex specific immune-cancer interactions are poorly understood. Here, we identify the neurotransmitter γ-aminobutyric acid (GABA) as a driver of GBM-promoting immune response in females. We demonstrated that GABA receptor B (GABBR) signaling enhances L-Arginine metabolism and nitric oxide synthase 2 (NOS2) expression in female granulocytic myeloid-derived suppressor cells (gMDSCs). GABBR agonist and GABA analog promoted GBM growth in females in an immune-dependent manner, while GABBR inhibition reduces gMDSC NOS2 production and extends survival only in females. Furthermore, female GBM patients have enriched GABA transcriptional signatures compared to males, and the use of GABA analogs in GBM patients is associated with worse short-term outcomes only in females. Collectively, these results highlight that GABA modulates anti-tumor immune response in a sex-specific manner, supporting future assessment of GABA pathway inhibitors as part of immunotherapy approaches.

Abstract Background Radiotherapy (RT) is the primary treatment for diffuse midline glioma (DMG), a lethal pediatric malignancy defined by histone H3 lysine 27-to-methionine (H3K27M) mutation. Based on the loss of H3K27 trimethylation producing broad epigenomic alterations, we hypothesized that H3K27M causes a functional double-strand break (DSB) repair defect that could be leveraged therapeutically with PARP inhibitor and RT for selective radiosensitization and antitumor immune responses. Methods H3K27M isogenic DMG cells and orthotopic brainstem DMG tumors in immune deficient and syngeneic, immune competent mice were used to evaluate the efficacy and mechanisms of PARP1/2 inhibition by olaparib or PARP1 inhibition by AZD9574 with concurrent RT. Results H3K27M mutation caused an HRR defect characterized by impaired RT-induced K63-linked polyubiquitination of histone H1 and inhibition of HRR protein recruitment. H3K27M DMG cells were selectively radiosensitized by olaparib in comparison to isogenic controls, and this effect translated to efficacy in H3K27M orthotopic brainstem tumors. Olaparib and RT induced an innate immune response and induction of NK cell (NKG2D) activating ligands leading to increased NK cell-mediated lysis of DMG tumor cells. In immunocompetent syngeneic orthotopic DMG tumors, either olaparib or AZD9574 in combination with RT enhanced intratumoral NK cell infiltration and activity in association with NK cell-mediated therapeutic responses and favorable activity of AZD9574. Conclusions The HRR deficiency in H3K27M DMG can be therapeutically leveraged with PARP inhibitors to radiosensitize and induce an NK cell-mediated antitumor immune response selectively in H3K27M DMG, supporting the clinical investigation of best-in-class PARP inhibitors with RT in DMG patients. Key points H3K27M DMG are HRR defective and selectively radiosensitized by PARP inhibitor. PARP inhibitor with RT enhances NKG2D ligand expression and NK cell-mediated lysis. NK cells are required for the therapeutic efficacy of PARP inhibitor and RT. Importance of the Study Radiotherapy is the cornerstone of H3K27M-mutant diffuse midline glioma treatment, but almost all patients succumb to tumor recurrence with poor overall survival, underscoring the need for RT-based precision combination therapy. Here, we reveal HRR deficiency as an H3K27M-mediated vulnerability and identify a novel mechanism linking impaired RT-induced histone H1 polyubiquitination and the subsequent RNF168/BRCA1/RAD51 recruitment in H3K27M DMG. This model is supported by selective radiosensitization of H3K27M DMG by PARP inhibitor. Notably, the combination treatment results in NKG2D ligand expression that confers susceptibility to NK cell killing in H3K27M DMG. We also show that the novel brain penetrant, PARP1-selective inhibitor AZD9574 compares favorably to olaparib when combined with RT, prolonging survival in a syngeneic orthotopic model of H3K27M DMG. This study highlights the ability of PARP1 inhibition to radiosensitize and induce an NK cell-mediated antitumor immunity in H3K27M DMG and supports future clinical investigation.

Abstract Retroelements (RE) present in the human genome are silenced via multiple mechanisms, including DNA methylation, to prevent their potentially mutagenic effect. RE activity, demonstrated by their expression and somatic retrotransposition events, is deregulated in multiple tumor types but not in leukemia. We hypothesized that treatment with hypomethylating agents (HMA), commonly used in myelodysplastic syndromes and acute myeloid leukemia, could lead to increased RE activity and somatic retrotranspositions, and contribute to disease progression. We induced expression of ORF1p protein encoded by long interspersed nuclear element-1 (L1) after 72h treatment with HMA in DAMI and HL-60 cell lines. ORF1p was predominantly localized in the cytoplasm, as evidenced by fluorescent microscopy of the DAMI cell line. To study whether long-term HMA therapy may induce somatic retrotranspositions, we (i) treated both cell lines for four weeks, (ii) analyzed a cohort of 17 MDS patients before and on treatment with HMA. Using a previously established sensitive NGS-based method, no RE events were identified. To conclude, we show that although HMA induces the expression of L1-encoded proteins in tumor myeloid cell lines, de novo somatic retrotransposition events do not arise during the long-term treatment of MDS patients and myeloid cell lines with these agents.

Abstract Purpose Glioblastoma (GBM) is a lethal disease characterized by inevitable recurrence. Here we investigate the molecular pathways mediating resistance, with the goal of identifying therapeutic opportunities to target this tumor. Experimental Design We developed a longitudinal in vivo recurrence model utilizing patient-derived explants to produce paired specimens (pre- and post-recurrence) following temozolomide(TMZ) and radiation(IR). These specimens were evaluated for treatment response and to identify gene expression pathways driving treatment resistance. Findings were clinically validated using spatial transcriptomics of human GBMs. Results These studies reveal in replicate cohorts, a gene expression profile characterized by upregulation of mesenchymal and stem-like genes at recurrence. Analyses of clinical databases revealed increased expression of this transcriptional profile to be significantly associated with worse median overall survival (248 days vs 430 days, p=0.0004), and upregulation of this profile at recurrence. Most notably, we identified upregulation of TGFβ signaling, and more than one-hundred-fold increase in THY1 levels at recurrence. Utilizing cell sorting, we observed that THY1-positive cells represented <10% of cells in the treatment-naïve tumors and 75-96% in the recurrent tumors. We then isolated THY1-positive cells from treatment-naïve patient samples and determined that they were inherently resistant to chemoradiation in orthotopic models. Additionally, using image-guided biopsies from treatment-naïve human GBM, we conducted spatial transcriptomic analyses. This revealed rare THY1 + regions characterized by mesenchymal/stem-like gene expression, analogous to our recurrent mouse model samples, which co-localized with macrophages within the perivascular niche. Since TGFβ signaling contributes to a mesenchymal/stem-like phenotype, we inhibited TGFβRI activity in vivo which resulted in decreased mesenchymal/stem-like protein levels, including THY1, and restored sensitivity to TMZ/IR in recurrent tumors. Conclusions These findings reveal that GBM recurrence may result from tumor repopulation by pre-existing, therapy-resistant, THY1-positive, mesenchymal/stem-like cells within the perivascular niche. Furthermore, our data demonstrate the promise of targeting upregulated pathways in resistant subclones as a novel mechanism to achieve therapeutic response, and specifically that THY1 expression may represent a biomarker of response to TGFβ inhibition.