Abstract Purpose: To evaluate the effects of BRAF inhibition on the tumor microenvironment in patients with metastatic melanoma. Experimental Design: Thirty-five biopsies were collected from 16 patients with metastatic melanoma pretreatment (day 0) and at 10 to 14 days after initiation of treatment with either BRAF inhibitor alone (vemurafenib) or BRAF + MEK inhibition (dabrafenib + trametinib) and were also taken at time of progression. Biopsies were analyzed for melanoma antigens, T-cell markers, and immunomodulatory cytokines. Results: Treatment with either BRAF inhibitor alone or BRAF + MEK inhibitor was associated with an increased expression of melanoma antigens and an increase in CD8+ T-cell infiltrate. This was also associated with a decrease in immunosuppressive cytokines [interleukin (IL)-6 and IL-8] and an increase in markers of T-cell cytotoxicity. Interestingly, expression of exhaustion markers TIM-3 and PD1 and the immunosuppressive ligand PDL1 was increased on treatment. A decrease in melanoma antigen expression and CD8 T-cell infiltrate was noted at time of progression on BRAF inhibitor alone and was reversed with combined BRAF and MEK inhibition. Conclusions: Together, these data suggest that treatment with BRAF inhibition enhances melanoma antigen expression and facilitates T-cell cytotoxicity and a more favorable tumor microenvironment, providing support for potential synergy of BRAF-targeted therapy and immunotherapy. Interestingly, markers of T-cell exhaustion and the immunosuppressive ligand PDL1 are also increased with BRAF inhibition, further implying that immune checkpoint blockade may be critical in augmenting responses to BRAF-targeted therapy in patients with melanoma. Clin Cancer Res; 19(5); 1225–31. ©2013 AACR.

Cancer vaccines have had limited success in eliminating tumors in patients. Here Willem Overwijk and colleagues report that one reason for the failure of peptide-based vaccines may be their formulation. Their research shows that peptides formulated in incomplete Freund's adjuvant sequester CD8+ T cells at the site of injection, leading to T cell dysfunction and eventual apoptosis. A peptide and adjuvant formulation that did not persist long term at the injection site showed superior ability to induce a functional antitumor T cell response. To understand why cancer vaccine–induced T cells often do not eradicate tumors, we studied immune responses in mice vaccinated with gp100 melanoma peptide in incomplete Freund's adjuvant (peptide/IFA), which is commonly used in clinical cancer vaccine trials. Peptide/IFA vaccination primed tumor-specific CD8+ T cells, which accumulated not in tumors but rather at the persisting, antigen-rich vaccination site. Once there, primed T cells became dysfunctional and underwent antigen-driven, interferon-γ (IFN-γ)- and Fas ligand (FasL)-mediated apoptosis, resulting in hyporesponsiveness to subsequent vaccination. Provision of CD40-specific antibody, Toll-like receptor 7 (TLR7) agonist and interleukin-2 (IL-2) reduced T cell apoptosis but did not prevent vaccination-site sequestration. A nonpersisting vaccine formulation shifted T cell localization toward tumors, inducing superior antitumor activity while reducing systemic T cell dysfunction and promoting memory formation. These data show that persisting vaccine depots can induce specific T cell sequestration, dysfunction and deletion at vaccination sites; short-lived formulations may overcome these limitations and result in greater therapeutic efficacy of peptide-based cancer vaccines.

Adoptive cell transfer (ACT) is considered a promising modality for cancer treatment, but despite ongoing improvements, many patients do not experience clinical benefits. The tumor microenvironment is an important limiting factor in immunotherapy that has not been addressed fully in ACT treatments. In this study, we report that upregualtion of the immunosuppressive receptor programmed cell death-1 (PD-1) expressed on transferred T cells at the tumor site, in a murine model of ACT, compared with its expression on transferred T cells present in the peripheral blood and spleen. As PD-1 can attenuate T-cell-mediated antitumor responses, we tested whether its blockade with an anti-PD-1 antibody could enhance the antitumor activity of ACT in this model. Cotreatment with both agents increased the number of transferred T cells at the tumor site and also enhanced tumor regressions, compared with treatments with either agent alone. While anti-PD-1 did not reduce the number of immunosuppressive regulatory T cells and myeloid-derived suppressor cells present in tumor-bearing mice, we found that it increased expression of IFN-γ and CXCL10 at the tumor site. Bone marrow-transplant experiments using IFN-γR-/- mice implicated IFN-γ as a crucial nexus for controlling PD-1-mediated tumor infiltration by T cells. Taken together, our results imply that blocking the PD-1 pathway can increase IFN-γ at the tumor site, thereby increasing chemokine-dependent trafficking of immune cells into malignant disease sites.

Abstract Purpose: Treatment of melanoma patients with selective BRAF inhibitors results in objective clinical responses in the majority of patients with BRAF-mutant tumors. However, resistance to these inhibitors develops within a few months. In this study, we test the hypothesis that BRAF inhibition in combination with adoptive T-cell transfer (ACT) will be more effective at inducing long-term clinical regressions of BRAF-mutant tumors. Experimental Design: BRAF-mutated human melanoma tumor cell lines transduced to express gp100 and H-2Db to allow recognition by gp100-specific pmel-1 T cells were used as xenograft models to assess melanocyte differentiation antigen–independent enhancement of immune responses by BRAF inhibitor PLX4720. Luciferase-expressing pmel-1 T cells were generated to monitor T-cell migration in vivo. The expression of VEGF was determined by ELISA, protein array, and immunohistochemistry. Importantly, VEGF expression after BRAF inhibition was tested in a set of patient samples. Results: We found that administration of PLX4720 significantly increased tumor infiltration of adoptively transferred T cells in vivo and enhanced the antitumor activity of ACT. This increased T-cell infiltration was primarily mediated by the ability of PLX4720 to inhibit melanoma tumor cell production of VEGF by reducing the binding of c-myc to the VEGF promoter. Furthermore, analysis of human melanoma patient tumor biopsies before and during BRAF inhibitor treatment showed downregulation of VEGF consistent with the preclinical murine model. Conclusion: These findings provide a strong rationale to evaluate the potential clinical application of combining BRAF inhibition with T-cell–based immunotherapy for the treatment of patients with melanoma. Clin Cancer Res; 19(2); 393–403. ©2012 AACR.

A prerequisite for strong adaptive antiviral immunity is the robust initial activation of the innate immune system, which is frequently mediated by TLR-activated plasmacytoid DCs (pDCs). Natural antitumor immunity is often comparatively weak, potentially due to the lack of TLR-mediated activation signals within the tumor microenvironment. To assess whether pDCs are capable of directly facilitating effective antitumor immune responses, mice bearing established subcutaneous B16 melanoma tumors were administered TLR9-activated pDCs directly into the tumor. We found that TLR9-activated pDCs induced robust, spontaneous CTL cross-priming against multiple B16 tumor antigens, leading to the regression of both treated tumors and untreated tumors at distant contralateral sites. This T cell cross-priming was mediated by conventional DCs (cDCs) and was completely dependent upon the early recruitment and activation of NK cells at the tumor site. NK cell recruitment was mediated by CCR5 via chemokines secreted by pDCs, and optimal IFN-γ production by NK cells was mediated by OX40L expressed by pDCs. Our data thus demonstrated that activated pDCs are capable of initiating effective and systemic antitumor immunity through the orchestration of an immune cascade involving the sequential activation of NK cells, cDCs, and CD8+ T cells.

Abstract Purpose: In this study, we assessed the specific role of BRAF(V600E) signaling in modulating the expression of immune regulatory genes in melanoma, in addition to analyzing downstream induction of immune suppression by primary human melanoma tumor-associated fibroblasts (TAF). Experimental Design: Primary human melanocytes and melanoma cell lines were transduced to express WT or V600E forms of BRAF, followed by gene expression analysis. The BRAF(V600E) inhibitor vemurafenib was used to confirm targets in BRAF(V600E)-positive melanoma cell lines and in tumors from melanoma patients undergoing inhibitor treatment. TAF lines generated from melanoma patient biopsies were tested for their ability to inhibit the function of tumor antigen-specific T cells, before and following treatment with BRAF(V600E)-upregulated immune modulators. Transcriptional analysis of treated TAFs was conducted to identify potential mediators of T-cell suppression. Results: Expression of BRAF(V600E) induced transcription of interleukin 1 alpha (IL-1α) and IL-1β in melanocytes and melanoma cell lines. Further, vemurafenib reduced the expression of IL-1 protein in melanoma cell lines and most notably in human tumor biopsies from 11 of 12 melanoma patients undergoing inhibitor treatment. Treatment of melanoma-patient–derived TAFs with IL-1α/β significantly enhanced their ability to suppress the proliferation and function of melanoma-specific cytotoxic T cells, and this inhibition was partially attributable to upregulation by IL-1 of COX-2 and the PD-1 ligands PD-L1 and PD-L2 in TAFs. Conclusions: This study reveals a novel mechanism of immune suppression sensitive to BRAF(V600E) inhibition, and indicates that clinical blockade of IL-1 may benefit patients with BRAF wild-type tumors and potentially synergize with immunotherapeutic interventions. Clin Cancer Res; 18(19); 5329–40. ©2012 AACR.

To develop therapeutic strategies against COVID-19, we introduce a high-resolution all-atom polarizable model capturing many-body effects of protein, glycans, solvent, and membrane components in SARS-CoV-2 spike protein open and closed...

To develop therapeutic strategies against COVID-19, we introduce a high-resolution all-atom polarizable model capturing many-body effects of protein, glycans, solvent, and membrane components in SARS-CoV-2 spike protein open and closed states. Employing μ s-long molecular dynamics simulations powered by high-performance cloud-computing and unsupervised density-driven adaptive sampling, we investigated the differences in bulk-solvent-glycan and protein-solvent-glycan interfaces between these states. We unraveled a sophisticated solvent-glycan polarization interaction network involving the N165/N343 residues that provide structural support for the open state and identified key water molecules that could potentially be targeted to destabilize this configuration. In the closed state, the reduced solvent polarization diminishes the overall N165/N343 dipoles, yet internal interactions and a reorganized sugar coat stabilize this state. Despite variations, our glycan-solvent accessibility analysis reveals the glycan shield capability to conserve constant interactions with the solvent, effectively camouflaging the virus from immune detection in both states. The presented insights advance our comprehension of viral pathogenesis at an atomic level, offering potential to combat COVID-19.

Abstract Many naturally occurring elastomers are intrinsically disordered proteins (IDPs) built up of repeating units and they can demonstrate two types of thermoresponsive phase behavior. Systems characterized by lower critical solution temperatures (LCST) undergo phase separation above the LCST whereas systems characterized by upper critical solution temperatures (UCST) undergo phase separation below the UCST. There is congruence between thermoresponsive coil-globule transitions and phase behavior whereby the theta temperatures above or below which the IDPs transition from coils to globules serve as useful proxies for the LCST / UCST values. This implies that one can design sequences with desired values for the theta temperature with either increasing or decreasing radii of gyration above the theta temperature. Here, we show that the Monte Carlo simulations performed in the so-called intrinsic solvation (IS) limit version of the temperature-dependent the ABSINTH (self-Assembly of Biomolecules Studied by an Implicit, Novel, Tunable Hamiltonian) implicit solvation model, yields a useful heuristic for discriminating between sequences with known LCST versus UCST phase behavior. Accordingly, we use this heuristic in a supervised approach, integrate it with a genetic algorithm, combine this with IS limit simulations, and demonstrate that novel sequences can be designed with LCST phase behavior. These calculations are aided by direct estimates of temperature dependent free energies of solvation for model compounds that are derived using the polarizable AMOEBA (atomic multipole optimized energetics for biomolecular applications) forcefield. To demonstrate the validity of our designs, we calculate coil-globule transition profiles using the full ABSINTH model and combine these with Gaussian Cluster Theory calculations to establish the LCST phase behavior of designed IDPs.