Good bacteria help fight cancer Resident gut bacteria can affect patient responses to cancer immunotherapy (see the Perspective by Jobin). Routy et al. show that antibiotic consumption is associated with poor response to immunotherapeutic PD-1 blockade. They profiled samples from patients with lung and kidney cancers and found that nonresponding patients had low levels of the bacterium Akkermansia muciniphila . Oral supplementation of the bacteria to antibiotic-treated mice restored the response to immunotherapy. Matson et al. and Gopalakrishnan et al. studied melanoma patients receiving PD-1 blockade and found a greater abundance of “good” bacteria in the guts of responding patients. Nonresponders had an imbalance in gut flora composition, which correlated with impaired immune cell activity. Thus, maintaining healthy gut flora could help patients combat cancer. Science , this issue p. 91 , p. 104 , p. 97 ; see also p. 32

Treatment with immune checkpoint blockade (ICB) has revolutionized cancer therapy. Until now, predictive biomarkers1–10 and strategies to augment clinical response have largely focused on the T cell compartment. However, other immune subsets may also contribute to anti-tumour immunity11–15, although these have been less well-studied in ICB treatment16. A previously conducted neoadjuvant ICB trial in patients with melanoma showed via targeted expression profiling17 that B cell signatures were enriched in the tumours of patients who respond to treatment versus non-responding patients. To build on this, here we performed bulk RNA sequencing and found that B cell markers were the most differentially expressed genes in the tumours of responders versus non-responders. Our findings were corroborated using a computational method (MCP-counter18) to estimate the immune and stromal composition in this and two other ICB-treated cohorts (patients with melanoma and renal cell carcinoma). Histological evaluation highlighted the localization of B cells within tertiary lymphoid structures. We assessed the potential functional contributions of B cells via bulk and single-cell RNA sequencing, which demonstrate clonal expansion and unique functional states of B cells in responders. Mass cytometry showed that switched memory B cells were enriched in the tumours of responders. Together, these data provide insights into the potential role of B cells and tertiary lymphoid structures in the response to ICB treatment, with implications for the development of biomarkers and therapeutic targets. Multiomic profiling of several cohorts of patients treated with immune checkpoint blockade highlights the presence and potential role of B cells and tertiary lymphoid structures in promoting therapy response.

Growing evidence suggests that microbes can influence the efficacy of cancer therapies. By studying colon cancer models, we found that bacteria can metabolize the chemotherapeutic drug gemcitabine (2',2'-difluorodeoxycytidine) into its inactive form, 2',2'-difluorodeoxyuridine. Metabolism was dependent on the expression of a long isoform of the bacterial enzyme cytidine deaminase (CDDL), seen primarily in Gammaproteobacteria. In a colon cancer mouse model, gemcitabine resistance was induced by intratumor Gammaproteobacteria, dependent on bacterial CDDL expression, and abrogated by cotreatment with the antibiotic ciprofloxacin. Gemcitabine is commonly used to treat pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), and we hypothesized that intratumor bacteria might contribute to drug resistance of these tumors. Consistent with this possibility, we found that of the 113 human PDACs that were tested, 86 (76%) were positive for bacteria, mainly Gammaproteobacteria.

Abstract Immune checkpoint blockade represents a major breakthrough in cancer therapy; however, responses are not universal. Genomic and immune features in pretreatment tumor biopsies have been reported to correlate with response in patients with melanoma and other cancers, but robust biomarkers have not been identified. We studied a cohort of patients with metastatic melanoma initially treated with cytotoxic T-lymphocyte–associated antigen-4 (CTLA4) blockade (n = 53) followed by programmed death-1 (PD-1) blockade at progression (n = 46), and analyzed immune signatures in longitudinal tissue samples collected at multiple time points during therapy. In this study, we demonstrate that adaptive immune signatures in tumor biopsy samples obtained early during the course of treatment are highly predictive of response to immune checkpoint blockade and also demonstrate differential effects on the tumor microenvironment induced by CTLA4 and PD-1 blockade. Importantly, potential mechanisms of therapeutic resistance to immune checkpoint blockade were also identified. Significance: These studies demonstrate that adaptive immune signatures in early on-treatment tumor biopsies are predictive of response to checkpoint blockade and yield insight into mechanisms of therapeutic resistance. These concepts have far-reaching implications in this age of precision medicine and should be explored in immune checkpoint blockade treatment across cancer types. Cancer Discov; 6(8); 827–37. ©2016 AACR. See related commentary by Teng et al., p. 818. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 803

Immune checkpoint blockade produces clinical benefit in many patients. However, better biomarkers of response are still needed, and mechanisms of resistance remain incompletely understood. To address this, we recently studied a cohort of melanoma patients treated with sequential checkpoint blockade against cytotoxic T lymphocyte antigen-4 (CTLA-4) followed by programmed death receptor-1 (PD-1) and identified immune markers of response and resistance. Building on these studies, we performed deep molecular profiling including T cell receptor sequencing and whole-exome sequencing within the same cohort and demonstrated that a more clonal T cell repertoire was predictive of response to PD-1 but not CTLA-4 blockade. Analysis of CNAs identified a higher burden of copy number loss in nonresponders to CTLA-4 and PD-1 blockade and found that it was associated with decreased expression of genes in immune-related pathways. The effect of mutational load and burden of copy number loss on response was nonredundant, suggesting the potential utility of a combinatorial biomarker to optimize patient care with checkpoint blockade therapy.

Preclinical studies suggest that treatment with neoadjuvant immune checkpoint blockade is associated with enhanced survival and antigen-specific T cell responses compared with adjuvant treatment1; however, optimal regimens have not been defined. Here we report results from a randomized phase 2 study of neoadjuvant nivolumab versus combined ipilimumab with nivolumab in 23 patients with high-risk resectable melanoma ( NCT02519322 ). RECIST overall response rates (ORR), pathologic complete response rates (pCR), treatment-related adverse events (trAEs) and immune correlates of response were assessed. Treatment with combined ipilimumab and nivolumab yielded high response rates (RECIST ORR 73%, pCR 45%) but substantial toxicity (73% grade 3 trAEs), whereas treatment with nivolumab monotherapy yielded modest responses (ORR 25%, pCR 25%) and low toxicity (8% grade 3 trAEs). Immune correlates of response were identified, demonstrating higher lymphoid infiltrates in responders to both therapies and a more clonal and diverse T cell infiltrate in responders to nivolumab monotherapy. These results describe the feasibility of neoadjuvant immune checkpoint blockade in melanoma and emphasize the need for additional studies to optimize treatment regimens and to validate putative biomarkers. Neoadjuvant combination treatment with nivolumab and ipilimumab in patients with high-risk melanoma results in higher response rates than nivolumab monotherapy and warrants future optimization of dosing regimens to preserve efficacy while limiting toxicity.

Abstract BACKGROUND Cancers and cancer treatments produce multiple symptoms that collectively cause a symptom burden for patients. These symptoms include pain, wasting, fatigue, cognitive impairment, anxiety, and depression, many of which co‐occur. There is growing recognition that at least some of these symptoms may share common biologic mechanisms. METHODS In November 2001, basic and clinical scientists met to consider evidence for a cytokine‐immunologic model of symptom expression along with directions for future research. RESULTS The characteristics of cytokine‐induced sickness behavior in animal models have much in common with those of symptomatic cancer patients. Sickness behavior refers to a set of physiologic and behavioral responses observed in animals after the administration of infectious or inflammatory agents or certain proinflammatory cytokines. In some cases, these responses can be prevented by cytokine antagonists. A combination of animal and human research suggests that several cancer‐related symptoms may involve the actions of proinflammatory cytokines. CONCLUSIONS Based on the similarities between cancer symptoms and sickness behavior, the authors discussed approaches to further test the implications of the relationship between inflammatory cytokines and symptoms for both symptom treatment and symptom prevention. Cancer 2003;97:2919–25. © 2003 American Cancer Society. DOI 10.1002/cncr.11382

Ipilimumab improves clinical outcomes when combined with nivolumab in metastatic non-small cell lung cancer (NSCLC), but its efficacy and impact on the immune microenvironment in operable NSCLC remain unclear. We report the results of the phase 2 randomized NEOSTAR trial (NCT03158129) of neoadjuvant nivolumab or nivolumab + ipilimumab followed by surgery in 44 patients with operable NSCLC, using major pathologic response (MPR) as the primary endpoint. The MPR rate for each treatment arm was tested against historical controls of neoadjuvant chemotherapy. The nivolumab + ipilimumab arm met the prespecified primary endpoint threshold of 6 MPRs in 21 patients, achieving a 38% MPR rate (8/21). We observed a 22% MPR rate (5/23) in the nivolumab arm. In 37 patients resected on trial, nivolumab and nivolumab + ipilimumab produced MPR rates of 24% (5/21) and 50% (8/16), respectively. Compared with nivolumab, nivolumab + ipilimumab resulted in higher pathologic complete response rates (10% versus 38%), less viable tumor (median 50% versus 9%), and greater frequencies of effector, tissue-resident memory and effector memory T cells. Increased abundance of gut Ruminococcus and Akkermansia spp. was associated with MPR to dual therapy. Our data indicate that neoadjuvant nivolumab + ipilimumab-based therapy enhances pathologic responses, tumor immune infiltrates and immunologic memory, and merits further investigation in operable NSCLC. Neoadjuvant treatment with nivolumab plus ipilimumab is well tolerated and demonstrates clinical efficacy in patients with early stage lung cancer.

Immune checkpoint blockade therapy targets T cell-negative costimulatory molecules such as cytotoxic T lymphocyte antigen-4 (CTLA-4) and programmed cell death-1 (PD-1). Combination anti–CTLA-4 and anti–PD-1 blockade therapy has enhanced efficacy, but it remains unclear through what mechanisms such effects are mediated. A critical question is whether combination therapy targets and modulates the same T cell populations as monotherapies. Using a mass cytometry-based systems approach, we comprehensively profiled the response of T cell populations to monotherapy and combination anti–CTLA-4 plus anti–PD-1 therapy in syngeneic murine tumors and clinical samples. Most effects of monotherapies were additive in the context of combination therapy; however, multiple combination therapy-specific effects were observed. Highly phenotypically exhausted cluster of differentiation 8 (CD8) T cells expand in frequency following anti–PD-1 monotherapy but not combination therapy, while activated terminally differentiated effector CD8 T cells expand only following combination therapy. Combination therapy also led to further increased frequency of T helper type 1 (Th1)-like CD4 effector T cells even though anti–PD-1 monotherapy is not sufficient to do so. Mass cytometry analyses of peripheral blood from melanoma patients treated with immune checkpoint blockade therapies similarly revealed mostly additive effects on the frequencies of T cell subsets along with unique modulation of terminally differentiated effector CD8 T cells by combination ipilimumab plus nivolumab therapy. Together, these findings indicate that dual blockade of CTLA-4 and PD-1 therapy is sufficient to induce unique cellular responses compared with either monotherapy.