Through drug exposure, a rare, transient transcriptional program characterized by high levels of expression of known resistance drivers can get ‘burned in’, leading to the selection of cells endowed with a transcriptional drug resistance and thus more chemoresistant cancers. Therapies that target signalling molecules that are mutated in cancers can often have substantial short-term effects, but the emergence of resistant cancer cells is a major barrier to full cures1,2. Resistance can result from secondary mutations3,4, but in other cases there is no clear genetic cause, raising the possibility of non-genetic rare cell variability5,6,7,8,9,10,11. Here we show that human melanoma cells can display profound transcriptional variability at the single-cell level that predicts which cells will ultimately resist drug treatment. This variability involves infrequent, semi-coordinated transcription of a number of resistance markers at high levels in a very small percentage of cells. The addition of drug then induces epigenetic reprogramming in these cells, converting the transient transcriptional state to a stably resistant state. This reprogramming begins with a loss of SOX10-mediated differentiation followed by activation of new signalling pathways, partially mediated by the activity of the transcription factors JUN and/or AP-1 and TEAD. Our work reveals the multistage nature of the acquisition of drug resistance and provides a framework for understanding resistance dynamics in single cells. We find that other cell types also exhibit sporadic expression of many of these same marker genes, suggesting the existence of a general program in which expression is displayed in rare subpopulations of cells.

Background Pembrolizumab improved progression-free survival and overall survival versus ipilimumab in patients with advanced melanoma and is now a standard of care in the first-line setting. However, the optimal duration of anti-PD-1 administration is unknown. We present results from 5 years of follow-up of patients in KEYNOTE-006. Methods KEYNOTE-006 was an open-label, multicentre, randomised, controlled, phase 3 study done at 87 academic institutions, hospitals, and cancer centres in 16 countries. Patients aged at least 18 years with Eastern Cooperative Oncology Group performance status of 0 or 1, ipilimumab-naive histologically confirmed advanced melanoma with known BRAFV600 status and up to one previous systemic therapy were randomly assigned (1:1:1) to intravenous pembrolizumab 10 mg/kg every 2 weeks or every 3 weeks or four doses of intravenous ipilimumab 3 mg/kg every 3 weeks. Treatments were assigned using a centralised, computer-generated allocation schedule with blocked randomisation within strata. Exploratory combination of data from the two pembrolizumab dosing regimen groups was not protocol-specified. Pembrolizumab treatment continued for up to 24 months. Eligible patients who discontinued pembrolizumab with stable disease or better after receiving at least 24 months of pembrolizumab or discontinued with complete response after at least 6 months of pembrolizumab and then progressed could receive an additional 17 cycles of pembrolizumab. Co-primary endpoints were overall survival and progression-free survival. Efficacy was analysed in all randomly assigned patients, and safety was analysed in all randomly assigned patients who received at least one dose of study treatment. Exploratory assessment of efficacy and safety at 5 years' follow-up was not specified in the protocol. Data cutoff for this analysis was Dec 3, 2018. Recruitment is closed; the study is ongoing. This study is registered with ClinicalTrials.gov, number NCT01866319. Findings Between Sept 18, 2013, and March 3, 2014, 834 patients were enrolled and randomly assigned to receive pembrolizumab (every 2 weeks, n=279; every 3 weeks, n=277), or ipilimumab (n=278). After a median follow-up of 57·7 months (IQR 56·7–59·2) in surviving patients, median overall survival was 32·7 months (95% CI 24·5–41·6) in the combined pembrolizumab groups and 15·9 months (13·3–22·0) in the ipilimumab group (hazard ratio [HR] 0·73, 95% CI 0·61–0·88, p=0·00049). Median progression-free survival was 8·4 months (95% CI 6·6–11·3) in the combined pembrolizumab groups versus 3·4 months (2·9–4·2) in the ipilimumab group (HR 0·57, 95% CI 0·48–0·67, p<0·0001). Grade 3–4 treatment-related adverse events occurred in 96 (17%) of 555 patients in the combined pembrolizumab groups and in 50 (20%) of 256 patients in the ipilimumab group; the most common of these events were colitis (11 [2%] vs 16 [6%]), diarrhoea (ten [2%] vs seven [3%]), and fatigue (four [<1%] vs three [1%]). Any-grade serious treatment-related adverse events occurred in 75 (14%) patients in the combined pembrolizumab groups and in 45 (18%) patients in the ipilimumab group. One patient assigned to pembrolizumab died from treatment-related sepsis. Interpretation Pembrolizumab continued to show superiority over ipilimumab after almost 5 years of follow-up. These results provide further support for use of pembrolizumab in patients with advanced melanoma. Funding Merck Sharp & Dohme.

Despite success with BRAFV600E inhibitors, therapeutic responses in patients with metastatic melanoma are short-lived because of the acquisition of drug resistance. We identified a mechanism of intrinsic multidrug resistance based on the survival of a tumor cell subpopulation. Treatment with various drugs, including cisplatin and vemurafenib, uniformly leads to enrichment of slow-cycling, long-term tumor-maintaining melanoma cells expressing the H3K4-demethylase JARID1B/KDM5B/PLU-1. Proteome-profiling revealed an upregulation in enzymes of mitochondrial oxidative-ATP-synthesis (oxidative phosphorylation) in this subpopulation. Inhibition of mitochondrial respiration blocked the emergence of the JARID1Bhigh subpopulation and sensitized melanoma cells to therapy, independent of their genotype. Our findings support a two-tiered approach combining anticancer agents that eliminate rapidly proliferating melanoma cells with inhibitors of the drug-resistant slow-cycling subpopulation.

How tumor-infiltrating T lymphocytes (TILs) adapt to the metabolic constrains within the tumor microenvironment (TME) and to what degree this affects their ability to combat tumor progression remain poorly understood. Using mouse melanoma models, we report that CD8+ TILs enhance peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR)-α signaling and catabolism of fatty acids (FAs) when simultaneously subjected to hypoglycemia and hypoxia. This metabolic switch partially preserves CD8+ TILs' effector functions, although co-inhibitor expression increases during tumor progression regardless of CD8+ TILs' antigen specificity. Further promoting FA catabolism improves the CD8+ TILs' ability to slow tumor progression. PD-1 blockade delays tumor growth without changing TIL metabolism or functions. It synergizes with metabolic reprogramming of T cells to achieve superior antitumor efficacy and even complete cures.

Importance

 Whether immune-related adverse events (irAEs) indicate drug activity in patients treated with immune checkpoint inhibitors remains unknown. 

Objective

 To investigate the association between irAEs and recurrence-free survival (RFS) in the double-blind EORTC 1325/KEYNOTE-054 clinical trial comparing pembrolizumab therapy and placebo for the treatment of patients with high-risk stage III melanoma. 

Design, Setting, and Participants

 A total of 1019 adults with stage III melanoma were randomly assigned on a 1:1 ratio to receive treatment with pembrolizumab therapy or placebo. Eligible patients were adults 18 years and older with complete resection of cutaneous melanoma metastatic to lymph nodes, classified with stage IIIA (at least 1 micrometastasis measuring >1 mm in greatest diameter), IIIB, or IIIC (without in-transit metastasis) cancer. Patients were randomized from August 26, 2015, to November 14, 2016. The clinical cutoff for the data set was October 2, 2017. Analyses were then performed on the database, which was locked on November 28, 2017. 

Interventions

 Participants were scheduled to receive 200 mg of pembrolizumab or placebo every 3 weeks for a total of 18 doses for approximately 1 year or until disease recurrence, unacceptable toxic effects, major protocol violation, or withdrawal of consent. 

Main Outcomes and Measures

 The association between irAEs and RFS was estimated using a Cox model adjusted for sex, age, andAJCC-7stage, with a time-varying covariate that had a value of 0 before irAE onset and 1 after irAE onset. 

Results

 Of 1011 patients who began treatment with pembrolizumab therapy or placebo, 622 (61.5%) were men and 389 (38.5%) were women; 386 patients (38.2%) were aged 50 to 64 years, 377 (37.3%) were younger than 50 years, and 248 (24.5%) were 65 years and older. Consistent with the reported main analysis in the intent-to-treat population, RFS was longer in the pembrolizumab arm compared with the placebo arm (hazard ratio [HR], 0.56; 98.4% CI, 0.43-0.74) among patients who started treatment. The incidence of irAEs was 190 (37.4%) in the pembrolizumab arm (n = 509) and 45 (9.0%) in the placebo arm (n = 502); in each treatment group, the incidence was similar for men and women. The occurrence of an irAE was associated with a longer RFS in the pembrolizumab arm (HR, 0.61; 95% CI, 0.39-0.95;P = .03) in both men and women. However, in the placebo arm, this association was not significant. Compared with the placebo arm, the reduction in the hazard of recurrence or death in the pembrolizumab arm was greater after the onset of an irAE than without or before an irAE (HR, 0.37; 95% CI, 0.24-0.57 vs HR, 0.61; 95% CI, 0.49-0.77, respectively;P = .03). 

Conclusions and Relevance

 In this study, the occurrence of an irAE was associated with a longer RFS in the pembrolizumab arm. 

Trial Registrations

 ClinicalTrials.gov identifier:NCT02362594; EudraCT identifier:2014-004944-37

Abstract Purpose: PARP inhibition (PARPi) has modest clinical activity in recurrent BRCA-mutant (BRCAMUT) high-grade serous ovarian cancers (HGSOC). We hypothesized that PARPi increases dependence on ATR/CHK1 such that combination PARPi with ATR/CHK1 blockade results in increased cell death and tumor regression. Experimental Design: Effects of PARPi (olaparib), CHK1 inhibition (CHK1i;MK8776), or ATR inhibition (ATRi;AZD6738) alone or in combination on survival, colony formation, cell cycle, genome instability, and apoptosis were evaluated in BRCA1/2MUT HGSOC cells. Tumor growth in vivo was evaluated using a BRCA2MUT patient-derived xenograft (PDX) model. Results: PARPi monotherapy resulted in a decrease in BRCAMUT cell survival, colony formation and suppressed but did not eliminate tumor growth at the maximum tolerated dose (MTD) in a BRCA2MUT PDX. PARPi treatment increased pATR and pCHK1, indicating activation of the ATR–CHK1 fork protection pathway is relied upon for genome stability under PARPi. Indeed, combination of ATRi or CHK1i with PARPi synergistically decreased survival and colony formation compared with single-agent treatments in BRCAMUT cells. Notably, PARPi led to G2 phase accumulation, and the addition of ATRi or CHK1i released cells from G2 causing premature mitotic entry with increased chromosomal aberrations and apoptosis. Moreover, the combinations of PARPi with ATRi or CHK1i were synergistic in causing tumor suppression in a BRCA2MUT PDX with the PARPi–ATRi combination inducing tumor regression and in most cases, complete remission. Conclusions: PARPi causes increased reliance on ATR/CHK1 for genome stability, and combination PARPi with ATR/CHK1i is more effective than PARPi alone in reducing tumor burden in BRCAMUT models. Clin Cancer Res; 23(12); 3097–108. ©2016 AACR.

Targeting multiple components of the MAPK pathway can prolong the survival of patients with BRAFV600E melanoma. This approach is not curative, as some BRAF-mutated melanoma cells are intrinsically resistant to MAPK inhibitors (MAPKi). At the systemic level, our knowledge of how signaling pathways underlie drug resistance needs to be further expanded. Here, we have shown that intrinsically resistant BRAF-mutated melanoma cells with a low basal level of mitochondrial biogenesis depend on this process to survive MAPKi. Intrinsically resistant cells exploited an integrated stress response, exhibited an increase in mitochondrial DNA content, and required oxidative phosphorylation to meet their bioenergetic needs. We determined that intrinsically resistant cells rely on the genes encoding TFAM, which controls mitochondrial genome replication and transcription, and TRAP1, which regulates mitochondrial protein folding. Therefore, we targeted mitochondrial biogenesis with a mitochondrium-targeted, small-molecule HSP90 inhibitor (Gamitrinib), which eradicated intrinsically resistant cells and augmented the efficacy of MAPKi by inducing mitochondrial dysfunction and inhibiting tumor bioenergetics. A subset of tumor biopsies from patients with disease progression despite MAPKi treatment showed increased mitochondrial biogenesis and tumor bioenergetics. A subset of acquired drug-resistant melanoma cell lines was sensitive to Gamitrinib. Our study establishes mitochondrial biogenesis, coupled with aberrant tumor bioenergetics, as a potential therapy escape mechanism and paves the way for a rationale-based combinatorial strategy to improve the efficacy of MAPKi.

We conducted the phase III double-blind European Organisation for Research and Treatment of Cancer (EORTC) 1325/KEYNOTE-054 trial to evaluate pembrolizumab versus placebo in patients with resected high-risk stage III melanoma. On the basis of 351 recurrence-free survival (RFS) events at a 1.25-year median follow-up, pembrolizumab prolonged RFS (hazard ratio [HR], 0.57; P < .0001) compared with placebo. This led to the approval of pembrolizumab adjuvant treatment by the European Medicines Agency and US Food and Drug Administration. Here, we report an updated RFS analysis at the 3.05-year median follow-up.A total of 1,019 patients with complete lymph node dissection of American Joint Committee on Cancer Staging Manual (seventh edition; AJCC-7), stage IIIA (at least one lymph node metastasis > 1 mm), IIIB, or IIIC (without in-transit metastasis) cutaneous melanoma were randomly assigned to receive pembrolizumab at a flat dose of 200 mg (n = 514) or placebo (n = 505) every 3 weeks for 1 year or until disease recurrence or unacceptable toxicity. The two coprimary end points were RFS in the overall population and in those with programmed death-ligand 1 (PD-L1)-positive tumors.Pembrolizumab (190 RFS events) compared with placebo (283 RFS events) resulted in prolonged RFS in the overall population (3-year RFS rate, 63.7% v 44.1% for pembrolizumab v placebo, respectively; HR, 0.56; 95% CI, 0.47 to 0.68) and in the PD-L1-positive tumor subgroup (HR, 0.57; 99% CI, 0.43 to 0.74). The impact of pembrolizumab on RFS was similar in subgroups, in particular according to AJCC-7 and AJCC-8 staging, and BRAF mutation status (HR, 0.51 [99% CI, 0.36 to 0.73] v 0.66 [99% CI, 0.46 to 0.95] for V600E/Kv wild type).In resected high-risk stage III melanoma, pembrolizumab adjuvant therapy provided a sustained and clinically meaningful improvement in RFS at 3-year median follow-up. This improvement was consistent across subgroups.

In the European Organisation for Research and Treatment of Cancer (EORTC) 1325-MG/KEYNOTE-054 study, adjuvant pembrolizumab improved recurrence-free survival and distant-metastasis-free survival in patients with resected stage III melanoma. Earlier results showed no effect of pembrolizumab on health-related quality of life (HRQOL). Little is known about HRQOL after completion of treatment with pembrolizumab, an important research area concerning patients who are likely to become long-term survivors. This study reports long-term HRQOL results.