Immune checkpoint inhibitors (ICIs) targeting the PD-1/PD-L1 axis induce sustained clinical responses in a sizable minority of cancer patients. We found that primary resistance to ICIs can be attributed to abnormal gut microbiome composition. Antibiotics inhibited the clinical benefit of ICIs in patients with advanced cancer. Fecal microbiota transplantation (FMT) from cancer patients who responded to ICIs into germ-free or antibiotic-treated mice ameliorated the antitumor effects of PD-1 blockade, whereas FMT from nonresponding patients failed to do so. Metagenomics of patient stool samples at diagnosis revealed correlations between clinical responses to ICIs and the relative abundance of Akkermansia muciniphila Oral supplementation with A. muciniphila after FMT with nonresponder feces restored the efficacy of PD-1 blockade in an interleukin-12-dependent manner by increasing the recruitment of CCR9+CXCR3+CD4+ T lymphocytes into mouse tumor beds.

Antibodies targeting CTLA-4 have been successfully used as cancer immunotherapy. We find that the antitumor effects of CTLA-4 blockade depend on distinct Bacteroides species. In mice and patients, T cell responses specific for B. thetaiotaomicron or B. fragilis were associated with the efficacy of CTLA-4 blockade. Tumors in antibiotic-treated or germ-free mice did not respond to CTLA blockade. This defect was overcome by gavage with B. fragilis, by immunization with B. fragilis polysaccharides, or by adoptive transfer of B. fragilis-specific T cells. Fecal microbial transplantation from humans to mice confirmed that treatment of melanoma patients with antibodies against CTLA-4 favored the outgrowth of B. fragilis with anticancer properties. This study reveals a key role for Bacteroidales in the immunostimulatory effects of CTLA-4 blockade.

The Microbiota Makes for Good Therapy The gut microbiota has been implicated in the development of some cancers, such as colorectal cancer, but—given the important role our intestinal habitants play in metabolism—they may also modulate the efficacy of certain cancer therapeutics. Iida et al. (p. 967 ) evaluated the impact of the microbiota on the efficacy of an immunotherapy [CpG (the cytosine, guanosine, phosphodiester link) oligonucleotides] and oxaliplatin, a platinum compound used as a chemotherapeutic. Both therapies were reduced in efficacy in tumor-bearing mice that lacked microbiota, with the microbiota important for activating the innate immune response against the tumors. Viaud et al. (p. 971 ) found a similar effect of the microbiota on tumor-bearing mice treated with cyclophosphamide, but in this case it appeared that the microbiota promoted an adaptive immune response against the tumors.

The efficacy of the anti-cancer immunomodulatory agent cyclophosphamide (CTX) relies on intestinal bacteria. How and which relevant bacterial species are involved in tumor immunosurveillance, and their mechanism of action are unclear. Here, we identified two bacterial species, Enterococcus hirae and Barnesiella intestinihominis that are involved during CTX therapy. Whereas E. hirae translocated from the small intestine to secondary lymphoid organs and increased the intratumoral CD8/Treg ratio, B. intestinihominis accumulated in the colon and promoted the infiltration of IFN-γ-producing γδT cells in cancer lesions. The immune sensor, NOD2, limited CTX-induced cancer immunosurveillance and the bioactivity of these microbes. Finally, E. hirae and B. intestinihominis specific-memory Th1 cell immune responses selectively predicted longer progression-free survival in advanced lung and ovarian cancer patients treated with chemo-immunotherapy. Altogether, E. hirae and B. intestinihominis represent valuable "oncomicrobiotics" ameliorating the efficacy of the most common alkylating immunomodulatory compound.

Aside from PD-L1 expression, biomarkers of response to immune checkpoint inhibitors (ICIs) in non-small-cell lung cancer (NSCLC) are needed. In a previous retrospective analysis, we documented that fecal Akkermansia muciniphila (Akk) was associated with clinical benefit of ICI in patients with NSCLC or kidney cancer. In the current study, we performed shotgun-metagenomics-based microbiome profiling in a large cohort of patients with advanced NSCLC (n = 338) treated with first- or second-line ICIs to prospectively validate the predictive value of fecal Akk. Baseline stool Akk was associated with increased objective response rates and overall survival in multivariate analyses, independent of PD-L1 expression, antibiotics, and performance status. Intestinal Akk was accompanied by a richer commensalism, including Eubacterium hallii and Bifidobacterium adolescentis, and a more inflamed tumor microenvironment in a subset of patients. However, antibiotic use (20% of cases) coincided with a relative dominance of Akk above 4.8% accompanied with the genus Clostridium, both associated with resistance to ICI. Our study shows significant differences in relative abundance of Akk that may represent potential biomarkers to refine patient stratification in future studies. In a large multicentric study of patients with advanced NSCLC undergoing anti-PD-1 therapy, the relative abundance of intestinal Akkermansia spp. was shown to associate with changes in the gut microbiome ecosystem and clinical outcomes.

Phages and cancer immunity Gut bacteria are involved in the education of T cell immune responses, and the intestinal ecosystem influences anticancer immunity. Fluckiger et al. report microbial antigens that might cross-react with antigens associated with tumor cells. They found that a type of intestinal bacteria called enterococci harbor a bacteriophage that modulates immune responses. In mouse models, administration of enterococci containing the bacteriophage boosted T cell responses after treatment with chemotherapy or programmed cell death protein 1 (PD-1) blockade. In humans, the presence of the bacteriophage was associated with improved survival after PD-1 immunotherapy. A fraction of human T cells specific for naturally processed melanoma epitopes appeared to be able to recognize microbial peptides. This “molecular mimicry” may represent cross-reactivity between tumors and microbial antigens. Science , this issue p. 936

Limited experimental evidence bridges nutrition and cancer immunosurveillance. Here, we show that ketogenic diet (KD) - or its principal ketone body, 3-hydroxybutyrate (3HB), most specifically in intermittent scheduling - induced T cell-dependent tumor growth retardation of aggressive tumor models. In conditions in which anti-PD-1 alone or in combination with anti-CTLA-4 failed to reduce tumor growth in mice receiving a standard diet, KD, or oral supplementation of 3HB reestablished therapeutic responses. Supplementation of KD with sucrose (which breaks ketogenesis, abolishing 3HB production) or with a pharmacological antagonist of the 3HB receptor GPR109A abolished the antitumor effects. Mechanistically, 3HB prevented the immune checkpoint blockade-linked upregulation of PD-L1 on myeloid cells, while favoring the expansion of CXCR3+ T cells. KD induced compositional changes of the gut microbiota, with distinct species such as Eisenbergiella massiliensis commonly emerging in mice and humans subjected to carbohydrate-low diet interventions and highly correlating with serum concentrations of 3HB. Altogether, these results demonstrate that KD induces a 3HB-mediated antineoplastic effect that relies on T cell-mediated cancer immunosurveillance.

PD-1 blockade represents a major therapeutic avenue in anticancer immunotherapy. Delineating mechanisms of secondary resistance to this strategy is increasingly important. Here, we identified the deleterious role of signaling via the type I interferon (IFN) receptor in tumor and antigen presenting cells, that induced the expression of nitric oxide synthase 2 (NOS2), associated with intratumor accumulation of regulatory T cells (Treg) and myeloid cells and acquired resistance to anti-PD-1 monoclonal antibody (mAb). Sustained IFNβ transcription was observed in resistant tumors, in turn inducing PD-L1 and NOS2 expression in both tumor and dendritic cells (DC). Whereas PD-L1 was not involved in secondary resistance to anti-PD-1 mAb, pharmacological or genetic inhibition of NOS2 maintained long-term control of tumors by PD-1 blockade, through reduction of Treg and DC activation. Resistance to immunotherapies, including anti-PD-1 mAb in melanoma patients, was also correlated with the induction of a type I IFN signature. Hence, the role of type I IFN in response to PD-1 blockade should be revisited as sustained type I IFN signaling may contribute to resistance to therapy.