Immune cells in the tumor microenvironment modulate cancer progression and are attractive therapeutic targets. Macrophages and T cells are key components of the microenvironment, yet their phenotypes and relationships in this ecosystem and to clinical outcomes are ill defined. We used mass cytometry with extensive antibody panels to perform in-depth immune profiling of samples from 73 clear cell renal cell carcinoma (ccRCC) patients and five healthy controls. In 3.5 million measured cells, we identified 17 tumor-associated macrophage phenotypes, 22 T cell phenotypes, and a distinct immune composition correlated with progression-free survival, thereby presenting an in-depth human atlas of the immune tumor microenvironment in this disease. This study revealed potential biomarkers and targets for immunotherapy development and validated tools that can be used for immune profiling of other tumor types.

T-helper-1-cell cytokines tumour necrosis factor and interferon-γ are shown to drive tumour cells into senescence in a mouse model of β-cell carcinoma and human carcinoma cells. Well-defined cell-death mechanisms such as cytolysis and apoptosis are known to be involved in the destruction and clearance of cancer cells, yet how the immune system actually arrests cancer cell proliferation remains unclear. Using mice with Tag-induced cancers, in which T-helper-1 (TH1) cell immunity doubles the lifespan, Martin Röcken and colleagues demonstrate that adaptive immunity mediated by the TH1 cytokines interferon-γ and tumour necrosis factor (TNF) directly induces senescence in cancers. Interferon- and TNF-induced senescence protects even against endogenous cancers that develop through transgenic expression of an oncogene, suggesting that it may be of broad relevance for cancer control. Cancer control by adaptive immunity involves a number of defined death1,2,3,4,5,6,7,8 and clearance9,10,11 mechanisms. However, efficient inhibition of exponential cancer growth by T cells and interferon-γ (IFN-γ) requires additional undefined mechanisms that arrest cancer cell proliferation1,2,3,4,5,12,13. Here we show that the combined action of the T-helper-1-cell cytokines IFN-γ and tumour necrosis factor (TNF) directly induces permanent growth arrest in cancers. To safely separate senescence induced by tumour immunity from oncogene-induced senescence9,10,11,14,15,16,17, we used a mouse model in which the Simian virus 40 large T antigen (Tag) expressed under the control of the rat insulin promoter creates tumours by attenuating p53- and Rb-mediated cell cycle control18,19. When combined, IFN-γ and TNF drive Tag-expressing cancers into senescence by inducing permanent growth arrest in G1/G0, activation of p16INK4a (also known as CDKN2A), and downstream Rb hypophosphorylation at serine 795. This cytokine-induced senescence strictly requires STAT1 and TNFR1 (also known as TNFRSF1A) signalling in addition to p16INK4a. In vivo, Tag-specific T-helper 1 cells permanently arrest Tag-expressing cancers by inducing IFN-γ- and TNFR1-dependent senescence. Conversely, Tnfr1−/−Tag-expressing cancers resist cytokine-induced senescence and grow aggressively, even in TNFR1-expressing hosts. Finally, as IFN-γ and TNF induce senescence in numerous murine and human cancers, this may be a general mechanism for arresting cancer progression.

Breast cancer is a heterogeneous disease. Tumor cells and associated healthy cells form ecosystems that determine disease progression and response to therapy. To characterize features of breast cancer ecosystems and their associations with clinical data, we analyzed 144 human breast tumor and 50 non-tumor tissue samples using mass cytometry. The expression of 73 proteins in 26 million cells was evaluated using tumor and immune cell-centric antibody panels. Tumors displayed individuality in tumor cell composition, including phenotypic abnormalities and phenotype dominance. Relationship analyses between tumor and immune cells revealed characteristics of ecosystems related to immunosuppression and poor prognosis. High frequencies of PD-L1+ tumor-associated macrophages and exhausted T cells were found in high-grade ER+ and ER− tumors. This large-scale, single-cell atlas deepens our understanding of breast tumor ecosystems and suggests that ecosystem-based patient classification will facilitate identification of individuals for precision medicine approaches targeting the tumor and its immunoenvironment.

T cells recognizing self proteins exist without causing autoimmunity in healthy individuals. These autoreactive T cells are kept in check by peripheral tolerance. Using a model for peripheral CD8+ T cell tolerance resulting from antigen presentation by resting dendritic cells in vivo, we show here that CD8+ T cell tolerance operates through T cell–intrinsic mechanisms such as deletion or functional inactivation. Peripheral CD8+ T cell tolerance depended on signaling via the costimulatory molecule PD-1, as an absence of PD-1 converted tolerance induction into priming. Blocking of the costimulatory molecule CTLA-4 resulted in impaired tolerance and enhanced the effect of the absence of PD-1, suggesting that PD-1 and CTLA-4 act synergistically. Thus PD-1 and CTLA-4 are crucial molecules for peripheral CD8+ T cell tolerance induced by resting dendritic cells.

Immune surveillance against tumors usually depends on T cell recognition of tumor antigens presented by major histocompatibility complex (MHC) molecules, whereas MHC class I- tumors may be controlled by natural killer (NK) cells. Perforin-dependent cytotoxicity is a major effector function of CD8+ MHC class I-restricted T cells and of NK cells. Here, we used perforin-deficient C57BL/6 (PKO) mice to study involvement of perforin and Fas ligand in tumor surveillance in vivo. We induced tumors in PKO and normal C57BL/6 mice by (a) injection of different syngeneic tumor cell lines of different tissue origin in naive and primed mice; (b) administration of the chemical carcinogens methylcholanthrene (MCA) or 12-O-tetradecanoylphorbol-13-acetate (TPA) plus 7,12-dimethylbenzanthracene (DMBA), or (c) by injection of acutely oncogenic Moloney sarcoma virus. The first set of models analyzes the defense against a tumor load given at once, whereas the last two sets give information on immune defense against tumors at the very moment of their generation. Most of the tumor cell lines tested were eliminated 10-100-fold better by C57BL/6 mice in an unprimed situation; after priming, the differences were more pronounced. Lymphoma cells transfected with Fas were controlled 10-fold better by PKO and C57BL/6 mice when compared to untransfected control cells, indicating some role for FasL in tumor control. MCA-induced tumors arose more rapidly and with a higher incidence in PKO mice compared to C57BL/6 or CD8-deficient mice. DMBA+TPA-induced skin papillomas arose with similar high incidence and comparable kinetics in both mouse strains. C57BL/6 and PKO mice have a similar incidence of Moloney murine sarcoma and leukemia virus-induced sarcomas, but tumors are larger and regression is retarded in PKO mice. Thus, perforin-dependent cytotoxicity is not only a crucial mechanism of both cytotoxic T lymphocyte- and NK-dependent resistance to injected tumor cell lines, but also operates during viral and chemical carcinogenesis in vivo. Experiments addressing the role of Fas-dependent cytotoxicity by studying resistance to tumor cell lines that were stably transfected with Fas neither provided evidence for a major role of Fas nor excluded a minor contribution of Fas in tumor surveillance.

Radiotherapy is an important treatment for cancer. The main mode of action is thought to be the irreversible damage to tumor cell DNA, but there is evidence that irradiation mobilizes tumor-specific immunity, and recent studies showed that the efficacy of high-dose radiotherapy depends on the presence of CD8(+) T cells. We show in this study that the efficacy of radiotherapy given as a single, high dose (10 Gy) crucially depends on dendritic cells and CD8(+) T cells, whereas CD4(+) T cells or macrophages are dispensable. We show that local high-dose irradiation results in activation of tumor-associated dendritic cells that in turn support tumor-specific effector CD8(+) T cells, thus identifying the mechanism that underlies radiotherapy-induced mobilization of tumor-specific immunity. We propose that in the absence of irradiation, the activation status of dendritic cells rather than the amount of tumor-derived Ag is the bottleneck, which precludes efficient anti-tumor immunity.

Abstract Human melanoma is composed of distinct cell types reminiscent of neural crest derivatives and contains multipotent cells that express the neural crest stem cell markers CD271(p75NTR) and Sox10. When isolated from solid tumors by using a method that leaves intact cell surface epitopes, CD271-positive, but not CD271-negative, cells formed tumors on transplantation into nude or nonobese diabetic/severe combined immunodeficient (NOD/SCID) mice. These tumors fully mirrored the heterogeneity of the parental melanoma and could be passaged more than 5 times. In contrast, in more immunocompromised NOD/SCID/IL2rγnull mice, or in natural killer cell–depleted nude or NOD/SCID mice, both CD271-positive and CD271-negative tumor cell fractions established tumors. However, tumors resulting from either fraction did not phenocopy the parental tumors, and tumors derived from the CD271-negative cell fraction could not be passaged multiple times. Together, our findings identify CD271-positive cells as melanoma stem cells. Our observation that a relatively high frequency of CD271/Sox10-positive cells correlates with higher metastatic potential and worse prognosis further supports that CD271-positive cells within human melanoma represent genuine cancer stem cells. Cancer Res; 71(8); 3098–109. ©2011 AACR.

Abstract In solid tumors, the presence of lymph node–like structures called tertiary lymphoid structures (TLS) is associated with improved patient survival. However, little is known about how TLS develop in cancer, how their function affects survival, and whether they are affected by cancer therapy. In this study, we used multispectral microscopy, quantitative pathology, and gene expression profiling to analyze TLS formation in human lung squamous cell carcinoma (LSCC) and in an experimental model of lung TLS induction. We identified a niche of CXCL13+ perivascular and CXCL12+LTB+ and PD-L1+ epithelial cells supporting TLS formation. We also characterized sequential stages of TLS maturation in LSCC culminating in the formation of germinal centers (GC). In untreated patients, TLS density was the strongest independent prognostic marker. Furthermore, TLS density correlated with GC formation and expression of adaptive immune response–related genes. In patients treated with neoadjuvant chemotherapy, TLS density was similar, but GC formation was impaired and the prognostic value of TLS density was lost. Corticosteroids are coadministered with chemotherapy to manage side effects in LSCC patients, so we evaluated whether they impaired TLS development independently of chemotherapy. TLS density and GC formation were each reduced in chemotherapy-naïve LSCC patients treated with corticosteroids before surgery, compared with untreated patients, a finding that we confirmed in the experimental model of lung TLS induction. Overall, our results highlight the importance of GC formation in TLS during tumor development and treatment. Significance: Corticosteroid treatment during chemotherapy negatively affects the development of tertiary lymphoid structures and abrogates their prognostic value in patients with lung cancer. Cancer Res; 78(5); 1308–20. ©2018 AACR.

Tertiary lymphoid structures (TLS) are associated with favorable outcome in non-metastatic colorectal carcinoma (nmCRC), but the dynamics of TLS maturation and its association with effective anti-tumor immune surveillance in nmCRC are unclear. Here, we hypothesized that not only the number of TLS but also their composition harbors information on recurrence risk in nmCRC. In a comprehensive molecular, tissue, laboratory, and clinical analysis of 109 patients with stage II/III nmCRC, we assessed TLS numbers and degree of maturation in surgical specimens by multi-parameter immunofluorescence of follicular dendritic cell (FDC) and germinal center (GC) markers. TLS formed in most tumors and were significantly more prevalent in highly-microsatellite-instable (MSI-H) and/or BRAF-mutant nmCRC. We could distinguish three sequential TLS maturation stages which were characterized by increasing prevalence of FDCs and mature B-cells: [1] Early TLS, composed of dense lymphocytic aggregates without FDCs, [2] Primary follicle-like TLS, having FDCs but no GC reaction, and [3] Secondary follicle-like TLS, having an active GC reaction. A simple integrated TLS immunoscore reflecting these parameters identified a large subgroup of nmCRC patients with a very low risk of recurrence independently of clinical co-variables such as ECOG performance status, age, stage, and adjuvant chemotherapy. We conclude that (1) mismatch repair and BRAF mutation status are associated with the formation of TLS in nmCRC, (2) TLS formation in nmCRC follows sequential maturation steps, culminating in germinal center formation, and (3) this maturation process harbors important prognostic information on the risk of disease recurrence.