An improvement in overall survival among patients with metastatic melanoma has been an elusive goal. In this phase 3 study, ipilimumab — which blocks cytotoxic T-lymphocyte–associated antigen 4 to potentiate an antitumor T-cell response — administered with or without a glycoprotein 100 (gp100) peptide vaccine was compared with gp100 alone in patients with previously treated metastatic melanoma.

Phase 1 and 2 clinical trials of the BRAF kinase inhibitor vemurafenib (PLX4032) have shown response rates of more than 50% in patients with metastatic melanoma with the BRAF V600E mutation.

The dynamics of T-cell responses are investigated in tumour tissue from patients with advanced melanoma who were treated with a PD-1-blocking monoclonal antibody, revealing that clinical efficacy of the treatment correlates with increased frequencies of pre-existing CD8+ T cells and PD-1 and PD-L1 expression. Therapies that target the human cell-surface programmed death-1 (PD-1) receptor have shown unprecedented clinical responses in a variety of cancer types. Here Paul Tumeh et al. investigate the dynamics of T-cell responses in tumour tissues of patients with advanced melanoma treated with pembrolizumab, a humanized monoclonal antibody directed against human PD-1. Clinical efficacy is shown to correlate with increased frequencies of pre-existing CD8+ T cells and PD-1 and PD-L1 expression at the invasive tumour margin and within tumours. Therapies that target the programmed death-1 (PD-1) receptor have shown unprecedented rates of durable clinical responses in patients with various cancer types1,2,3,4,5. One mechanism by which cancer tissues limit the host immune response is via upregulation of PD-1 ligand (PD-L1) and its ligation to PD-1 on antigen-specific CD8+ T cells (termed adaptive immune resistance)6,7. Here we show that pre-existing CD8+ T cells distinctly located at the invasive tumour margin are associated with expression of the PD-1/PD-L1 immune inhibitory axis and may predict response to therapy. We analysed samples from 46 patients with metastatic melanoma obtained before and during anti-PD-1 therapy (pembrolizumab) using quantitative immunohistochemistry, quantitative multiplex immunofluorescence, and next-generation sequencing for T-cell antigen receptors (TCRs). In serially sampled tumours, patients responding to treatment showed proliferation of intratumoral CD8+ T cells that directly correlated with radiographic reduction in tumour size. Pre-treatment samples obtained from responding patients showed higher numbers of CD8-, PD-1- and PD-L1-expressing cells at the invasive tumour margin and inside tumours, with close proximity between PD-1 and PD-L1, and a more clonal TCR repertoire. Using multivariate analysis, we established a predictive model based on CD8 expression at the invasive margin and validated the model in an independent cohort of 15 patients. Our findings indicate that tumour regression after therapeutic PD-1 blockade requires pre-existing CD8+ T cells that are negatively regulated by PD-1/PD-L1-mediated adaptive immune resistance.

The immune checkpoint inhibitor ipilimumab is the standard-of-care treatment for patients with advanced melanoma. Pembrolizumab inhibits the programmed cell death 1 (PD-1) immune checkpoint and has antitumor activity in patients with advanced melanoma.In this randomized, controlled, phase 3 study, we assigned 834 patients with advanced melanoma in a 1:1:1 ratio to receive pembrolizumab (at a dose of 10 mg per kilogram of body weight) every 2 weeks or every 3 weeks or four doses of ipilimumab (at 3 mg per kilogram) every 3 weeks. Primary end points were progression-free and overall survival.The estimated 6-month progression-free-survival rates were 47.3% for pembrolizumab every 2 weeks, 46.4% for pembrolizumab every 3 weeks, and 26.5% for ipilimumab (hazard ratio for disease progression, 0.58; P<0.001 for both pembrolizumab regimens versus ipilimumab; 95% confidence intervals [CIs], 0.46 to 0.72 and 0.47 to 0.72, respectively). Estimated 12-month survival rates were 74.1%, 68.4%, and 58.2%, respectively (hazard ratio for death for pembrolizumab every 2 weeks, 0.63; 95% CI, 0.47 to 0.83; P=0.0005; hazard ratio for pembrolizumab every 3 weeks, 0.69; 95% CI, 0.52 to 0.90; P=0.0036). The response rate was improved with pembrolizumab administered every 2 weeks (33.7%) and every 3 weeks (32.9%), as compared with ipilimumab (11.9%) (P<0.001 for both comparisons). Responses were ongoing in 89.4%, 96.7%, and 87.9% of patients, respectively, after a median follow-up of 7.9 months. Efficacy was similar in the two pembrolizumab groups. Rates of treatment-related adverse events of grade 3 to 5 severity were lower in the pembrolizumab groups (13.3% and 10.1%) than in the ipilimumab group (19.9%).The anti-PD-1 antibody pembrolizumab prolonged progression-free survival and overall survival and had less high-grade toxicity than did ipilimumab in patients with advanced melanoma. (Funded by Merck Sharp & Dohme; KEYNOTE-006 ClinicalTrials.gov number, NCT01866319.).

Nivolumab was associated with higher rates of objective response than chemotherapy in a phase 3 study involving patients with ipilimumab-refractory metastatic melanoma. The use of nivolumab in previously untreated patients with advanced melanoma has not been tested in a phase 3 controlled study.

Ipilimumab monotherapy (at a dose of 3 mg per kilogram of body weight), as compared with glycoprotein 100, improved overall survival in a phase 3 study involving patients with previously treated metastatic melanoma. We conducted a phase 3 study of ipilimumab (10 mg per kilogram) plus dacarbazine in patients with previously untreated metastatic melanoma.

The programmed death 1 (PD-1) receptor is a negative regulator of T-cell effector mechanisms that limits immune responses against cancer. We tested the anti–PD-1 antibody lambrolizumab (previously known as MK-3475) in patients with advanced melanoma.

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.

In a phase 1 dose-escalation study, combined inhibition of T-cell checkpoint pathways by nivolumab and ipilimumab was associated with a high rate of objective response, including complete responses, among patients with advanced melanoma.

The BRAF inhibitors vemurafenib and dabrafenib have shown efficacy as monotherapies in patients with previously untreated metastatic melanoma with BRAF V600E or V600K mutations. Combining dabrafenib and the MEK inhibitor trametinib, as compared with dabrafenib alone, enhanced antitumor activity in this population of patients.