Programmed death-1–directed (PD-1–directed) immune checkpoint blockade results in durable antitumor activity in many advanced malignancies. Recent studies suggest that IFN-γ is a critical driver of programmed death ligand-1 (PD-L1) expression in cancer and host cells, and baseline intratumoral T cell infiltration may improve response likelihood to anti–PD-1 therapies, including pembrolizumab. However, whether quantifying T cell–inflamed microenvironment is a useful pan-tumor determinant of PD-1–directed therapy response has not been rigorously evaluated. Here, we analyzed gene expression profiles (GEPs) using RNA from baseline tumor samples of pembrolizumab-treated patients. We identified immune-related signatures correlating with clinical benefit using a learn-and-confirm paradigm based on data from different clinical studies of pembrolizumab, starting with a small pilot of 19 melanoma patients and eventually defining a pan-tumor T cell–inflamed GEP in 220 patients with 9 cancers. Predictive value was independently confirmed and compared with that of PD-L1 immunohistochemistry in 96 patients with head and neck squamous cell carcinoma. The T cell–inflamed GEP contained IFN-γ–responsive genes related to antigen presentation, chemokine expression, cytotoxic activity, and adaptive immune resistance, and these features were necessary, but not always sufficient, for clinical benefit. The T cell–inflamed GEP has been developed into a clinical-grade assay that is currently being evaluated in ongoing pembrolizumab trials.

Mining immunotherapy clinical trials Clinical trial data can provide a wealth of information about how drugs work. Yet such information often belongs to pharmaceutical companies and is rarely accessible to the scientific community at large. Cristescu et al. provide exploratory analysis of a cancer genomics dataset, collected from four separate clinical trials of Merck's PD-1 immunotherapy drug, pembrolizumab. This informative public resource examines more than 300 patient samples representing 22 different tumor types. Two widely used signatures that currently predict immunotherapy response are tumor mutational burden and a “hot” T cell–inflamed microenvironment. The study analyzed these two proposed biomarkers in combination to see what predictive clinical utility they may hold. Science , this issue p. eaar3593

Uncontrolled mucosal immunity in the gastrointestinal tract of humans results in chronic inflammatory bowel disease (IBD), such as Crohn disease and ulcerative colitis. In early clinical trials as well as in animal models, IL-12 has been implicated as a major mediator of these diseases based on the ability of anti-p40 mAb treatment to reverse intestinal inflammation. The cytokine IL-23 shares the same p40 subunit with IL-12, and the anti-p40 mAbs used in human and mouse IBD studies neutralized the activities of both IL-12 and IL-23. IL-10-deficient mice spontaneously develop enterocolitis. To determine how IL-23 contributes to intestinal inflammation, we studied the disease susceptibility in the absence of either IL-23 or IL-12 in this model, as well as the ability of recombinant IL-23 to exacerbate IBD induced by T cell transfer. Our study shows that in these models, IL-23 is essential for manifestation of chronic intestinal inflammation, whereas IL-12 is not. A critical target of IL-23 is a unique subset of tissue-homing memory T cells, which are specifically activated by IL-23 to produce the proinflammatory mediators IL-17 and IL-6. This pathway may be responsible for chronic intestinal inflammation as well as other chronic autoimmune inflammatory diseases.

In these studies, IFN gamma-inducing factor (IGIF), unlike IL-12, did not drive Th1 development in BALB/c or C57BL/6 mice, but like IL-1alpha, potentiated IL-12-driven Th1 development in BALB/c mice. IGIF and IL-12 synergized for IFN gamma production from Th1 cells. Unlike IL-1alpha, IGIF had no effect on Th2 cells. IGIF signaled through IRAK, IL-1 receptor-associated kinase, to induce nuclear translocation of p65/p50 NFkappaB in Th1 cells. IL-1alpha had no effect on proliferation, cytokine production, or NFkappaB activation in Th1 cells but activated NFkappaB and proliferation in Th2 cells. Thus, Th1 and Th2 cells may differ in responsiveness and receptor expression for IL-1 family molecules. IGIF and IL-1alpha may differentially amplify Th1 and Th2 effector responses, respectively.

Aberrant cytokine expression has been proposed as an underlying cause of psoriasis, although it is unclear which cytokines play critical roles. Interleukin (IL)-23 is expressed in human psoriasis and may be a master regulator cytokine. Direct intradermal administration of IL-23 in mouse skin, but not IL-12, initiates a tumor necrosis factor-dependent, but IL-17A-independent, cascade of events resulting in erythema, mixed dermal infiltrate, and epidermal hyperplasia associated with parakeratosis. IL-23 induced IL-19 and IL-24 expression in mouse skin, and both genes were also elevated in human psoriasis. IL-23-dependent epidermal hyperplasia was observed in IL-19-/- and IL-24-/- mice, but was inhibited in IL-20R2-/- mice. These data implicate IL-23 in the pathogenesis of psoriasis and support IL-20R2 as a novel therapeutic target.

Abstract Purpose: Tumor-associated PD-L1 expression is predictive of clinical response to PD-1–directed immunotherapy. However, PD-L1–negative patients may also respond to PD-1 checkpoint blockade, suggesting that other PD-1 ligands may be relevant to the clinical activity of these therapies. The prevalence of PD-L2, the other known ligand of PD-1, and its relationship to response to anti-PD-1 therapy were evaluated. Experimental Design: PD-L2 expression was assessed in archival tumor tissue from seven indications using a novel immunohistochemical assay. In addition, relationships between clinical response and PD-L2 status were evaluated in tumor tissues from patients with head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) with recurrent or metastatic disease, treated with pembrolizumab. Results: PD-L2 expression was observed in all tumor types and present in stromal, tumor, and endothelial cells. The prevalence and distribution of PD-L2 correlated significantly with PD-L1 (P = 0.0012–<0.0001); however, PD-L2 was detected in the absence of PD-L1 in some tumor types. Both PD-L1 and PD-L2 positivity significantly predicted clinical response to pembrolizumab on combined tumor, stromal and immune cells, with PD-L2 predictive independent of PD-L1. Response was greater in patients positive for both PD-L1 and PD-L2 (27.5%) than those positive only for PD-L1 (11.4%). PD-L2 status was also a significant predictor of progression-free survival (PFS) with pembrolizumab independent of PD-L1 status. Longer median times for PFS and overall survival were observed for PD-L2–positive than PD-L2–negative patients. Conclusions: Clinical response to pembrolizumab in patients with HNSCC may be related partly to blockade of PD-1/PD-L2 interactions. Therapy targeting both PD-1 ligands may provide clinical benefit in these patients. Clin Cancer Res; 23(12); 3158–67. ©2017 AACR.

Commitment of T helper 1 (Th1) or Th2 populations developing during an immune response to a pathogen, or an inappropriate immune response to an allergen or autoantigen, may determine the difference between health and chronic disease. We show that strongly polarized Th1 and Th2 populations assessed by immunoassay are heterogeneous using flow cytometry to detect single cells producing interferon gamma (IFN-gamma) and interleukin 4 (IL-4). Th1 populations arising after 1 wk of stimulation in IL-12 plus anti-IL-4 antibodies could convert to Th2 cells when restimulated in IL-4. Th2 populations resulting from stimulation for 1 wk in IL-4 could give rise to Th1 cells upon restimulation in IL-12 plus anti-IL-4. In contrast, the cytokine profiles of long-term Th1 and Th2 populations arising originally from repeated stimulation in IL-12 or IL-4 appeared more homogeneous and were not reversible, although IL-4 dramatically reduced the number of IFN-gamma-producing Th1 cells. This may explain previous reports that Th1 cells can be converted to Th2 cells.

Tumor immune surveillance and cancer immunotherapies are thought to depend on the intratumoral infiltration of activated CD8(+) T cells. Intratumoral CD8(+) T cells are rare and lack activity. IL-10 is thought to contribute to the underlying immune suppressive microenvironment. Defying those expectations we demonstrate that IL-10 induces several essential mechanisms for effective antitumor immune surveillance: infiltration and activation of intratumoral tumor-specific cytotoxic CD8(+) T cells, expression of the Th1 cytokine interferon-γ (IFNγ) and granzymes in CD8(+) T cells, and intratumoral antigen presentation molecules. Consequently, tumor immune surveillance is weakened in mice deficient for IL-10 whereas transgenic overexpression of IL-10 protects mice from carcinogenesis. Treatment with pegylated IL-10 restores tumor-specific intratumoral CD8(+) T cell function and controls tumor growth.