Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is a highly metastatic disease. Tumors are poorly immunogenic and immunosuppressive, preventing T cell activation in the tumor microenvironment. Here, we present a microbial-based immunotherapeutic treatment for selective delivery of an immunogenic tetanus toxoid protein (TT856-1313) into PDAC tumor cells by attenuated Listeria monocytogenes. This treatment reactivated preexisting TT-specific memory T cells to kill infected tumor cells in mice. Treatment of KrasG12D,p53R172H, Pdx1-Cre (KPC) mice with Listeria-TT resulted in TT accumulation inside tumor cells, attraction of TT-specific memory CD4 T cells to the tumor microenvironment, and production of perforin and granzyme B in tumors. Low doses of gemcitabine (GEM) increased immune effects of Listeria-TT, turning immunologically cold into hot tumors in mice. In vivo depletion of T cells from Listeria-TT + GEM-treated mice demonstrated a CD4 T cell-mediated reduction in tumor burden. CD4 T cells from TT-vaccinated mice were able to kill TT-expressing Panc-02 tumor cells in vitro. In addition, peritumoral lymph node-like structures were observed in close contact with pancreatic tumors in KPC mice treated with Listeria-TT or Listeria-TT + GEM. These structures displayed CD4 and CD8 T cells producing perforin and granzyme B. Whereas CD4 T cells efficiently infiltrated the KPC tumors, CD8 T cells did not. Listeria-TT + GEM treatment of KPC mice with advanced PDAC reduced tumor burden by 80% and metastases by 87% after treatment and increased survival by 40% compared to nontreated mice. These results suggest that Listeria-delivered recall antigens could be an alternative to neoantigen-mediated cancer immunotherapy.

ABSTRACT Pancreatic ductal adenocarcinoma is highly metastatic, poorly immunogenic, and immune suppression prevents T cell activation in the tumor microenvironment. We developed a microbial-based immunotherapeutic concept for selective delivery of a highly immunogenic tetanus toxoid protein (TT 856-1313 ), into tumor cells by attenuated Listeria monocytogenes , and reactivation of pre-existing TT-specific memory T cells (generated during childhood) to kill infected tumor cells. Thus, TT here functions as an alternative for neoantigens. Treatment of KPC mice with Listeria -TT resulted in TT accumulation in tumors and inside tumor cells, and attraction of predominantly TT-specific memory CD4 T cells. Moreover, gemcitabine (GEM) combined with Listeria-TT significantly improved the migration of CD4 T cells into tumors and the production of perforin and granzyme B, turning cold tumors into immunological hot tumors. In vivo depletion of T cells in Listeria-TT+GEM-treated mice demonstrated CD4 T cell-mediated eradication of tumors and metastases (Mann-Whitney p<0.05). In addition, peritumoral lymph node like structures (LNS) were observed in close contact with the pancreatic tumors displaying CD4 T cells and CD8 T cells of KPC mice treated with Listeria -TT or Listeria -TT+GEM. The production of perforin and granzyme B was observed in LNS of KPC mice that received Listeria -TT+GEM. This combination not only reduced tumor burden (80%) and metastases (87%) significantly (p<0.05, Mann-Whitney), but also improved the survival time of KPC mice with advanced pancreatic cancer substantially (Mantel-Cox p<0.0001). Our results unveil new mechanisms of Listeria and GEM improving immunotherapy for PDAC.

ABSTRACT Treatments for pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) are poorly effective, at least partly due to the tumor’s immune-suppressive stromal compartment. New evidence of positive effects on immune responses in the tumor microenvironment, compelled us to test the combination of gemcitabine (GEM), a standard chemotherapeutic for pancreatic cancer, with nicotinamide (NAM), the amide form of niacin (vitamin B3), in various mouse tumor models of pancreatic cancer, i.e. peritoneal or orthotopic of Panc-02 (Kras G12D ) and orthotopic KPC (Kras G12D , p53 R172H , Pdx1-Cre) grafts. A significant reduction in tumor weight and number of metastases was found, as well as a significant improved survival of the NAM+GEM group compared to all control groups. Immunohistochemistry and flow cytometry of pancreatic tumors showed a significant decrease in tumor-associated macrophages (TAM) and myeloid-derived suppressor cells (MDSC), an increase in the number of CD4 and CD8 T cells and the production of granzyme B in the NAM+GEM group. Moreover, T cell responses to tumor-associated antigen survivin were observed in spleens of the mice that received NAM+GEM but not in those that received single agents or saline. In addition, remodeling of the tumor stroma was observed with decreased collagen I and expression of hyaluronic acid binding protein, reorganization of the immune cells into lymph node like structures, and CD31 positive vessels. Expression profiling for a panel of immuno-oncology genes revealed significant changes in genes involved in migration and activation of T cells, attraction of dendritic cells, and epitope spreading. This study highlights the potential of NAM+GEM as immunotherapy for advanced pancreatic cancer.