Tumor-infiltrating myeloid cells such as myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) and tumor-associated macrophages (TAMs) form an important component of the hypoxic tumor microenvironment. Here, we investigated the influence of hypoxia on immune checkpoint receptors (programmed death [PD]-1 and CTLA-4) and their respective ligands (PD-1 ligand 1 [PD-L1], PD-L2, CD80, and CD86) on MDSCs. We demonstrate that MDSCs at the tumor site show a differential expression of PD-L1 as compared with MDSCs from peripheral lymphoid organ (spleen). Hypoxia caused a rapid, dramatic, and selective up-regulation of PD-L1 on splenic MDSCs in tumor-bearing mice. This was not limited to MDSCs, as hypoxia also significantly increased the expression of PD-L1 on macrophages, dendritic cells, and tumor cells. Furthermore, PD-L1 up-regulation under hypoxia was dependent on hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α) but not HIF-2α. Chromatin immunoprecipitation and luciferase reporter assay revealed direct binding of HIF-1α to a transcriptionally active hypoxia-response element (HRE) in the PD-L1 proximal promoter. Blockade of PD-L1 under hypoxia enhanced MDSC-mediated T cell activation and was accompanied by the down-regulation of MDSCs IL-6 and IL-10. Finally, neutralizing antibodies against IL-10 under hypoxia significantly abrogated the suppressive activity of MDSCs. Simultaneous blockade of PD-L1 along with inhibition of HIF-1α may thus represent a novel approach for cancer immunotherapy.

Significance Natural killer (NK) cells are effectors of the antitumor immunity, able to kill cancer cells through the release of the cytotoxic protease granzyme B. NK-based therapies have recently emerged as promising anticancer strategies. It is well established that hypoxic microenvironment interferes with the function of antitumor immune cells and constitutes a major obstacle for cancer immunotherapies. We showed that breast cancer cells evade effective NK-mediated killing under hypoxia by activating autophagy that we have identified to be responsible for the degradation of NK-derived granzyme B. We demonstrated that blocking autophagy restored NK-mediated lysis in vitro, and facilitated breast tumor elimination by NK cells in mice. We provided evidence that targeting autophagy may pave the way to achieve more effective NK-based anticancer immunotherapy.

Tumor-derived microvesicles (TD-MVs) are key mediators which are shed by cancer cells and can sensitize neighboring cells in the tumor microenvironment. TD-MVs are extracellular vesicles composed of exosomes and MVs and promote cancer invasion and metastasis. Intratumoral hypoxia is an integral component of all solid tumors. The relationship between hypoxic tumor-shed MVs and NK-mediated cytotoxicity remains unknown. In this paper, we reported that MVs derived from hypoxic tumor cells qualitatively differ from those derived from normoxic tumor cells. Using multiple tumor models, we showed that hypoxic MVs inhibit more NK cell function as compared to normoxic MVs. Hypoxic TD-MVs package two immunosuppressive factors involved in the impairment of natural killer (NK) cell cytotoxicity against different tumor cells in vitro and in vivo. We showed that following their uptake by NK cells, hypoxic TD-MVs transfer TGF-β1 to NK cells, decreasing the cell surface expression of the activating receptor NKG2D, thereby inhibiting NK cell function. MicroRNA profiling revealed the presence of high levels of miR-210 and miR-23a in hypoxic TD-MVs. We demonstrated that miR-23a in hypoxic TD-MVs operates as an additional immunomosuppressive factor, since it directly targets the expression of CD107a in NK cells. To our knowledge, this is the first study to show that hypoxic tumor cells by secreting MVs can educate NK cells and decrease their antitumor immune response. This study highlights the existence of a novel mechanism of immune suppression mediated by hypoxic TD-MVs and further improves our understanding of the immunosuppressive mechanisms prevailing in the hypoxic tumor microenvironment.

Epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) mediates cancer cell invasion, metastasis, and drug resistance, but its impact on immune surveillance has not been explored. In this study, we investigated the functional consequences of this mode of epithelial cell plasticity on targeted cell lysis by cytotoxic T lymphocytes (CTL). Acquisition of the EMT phenotype in various derivatives of MCF-7 human breast cancer cells was associated with dramatic morphologic changes and actin cytoskeleton remodeling, with CD24(-)/CD44(+)/ALDH(+) stem cell populations present exhibiting a higher degree of EMT relative to parental cells. Strikingly, acquisition of this phenotype also associated with an inhibition of CTL-mediated tumor cell lysis. Resistant cells exhibited attenuation in the formation of an immunologic synapse with CTLs along with the induction of autophagy in the target cells. This response was critical for susceptibility to CTL-mediated lysis because siRNA-mediated silencing of beclin1 to inhibit autophagy in target cells restored their susceptibility to CTL-induced lysis. Our results argue that in addition to promoting invasion and metastasis EMT also profoundly alters the susceptibility of cancer cells to T-cell-mediated immune surveillance. Furthermore, they reveal EMT and autophagy as conceptual realms for immunotherapeutic strategies to block immune escape.

Abstract The relationship between hypoxic stress, autophagy, and specific cell-mediated cytotoxicity remains unknown. This study shows that hypoxia-induced resistance of lung tumor to cytolytic T lymphocyte (CTL)–mediated lysis is associated with autophagy induction in target cells. In turn, this correlates with STAT3 phosphorylation on tyrosine 705 residue (pSTAT3) and HIF-1α accumulation. Inhibition of autophagy by siRNA targeting of either beclin1 or Atg5 resulted in impairment of pSTAT3 and restoration of hypoxic tumor cell susceptibility to CTL-mediated lysis. Furthermore, inhibition of pSTAT3 in hypoxic Atg5 or beclin1-targeted tumor cells was found to be associated with the inhibition Src kinase (pSrc). Autophagy-induced pSTAT3 and pSrc regulation seemed to involve the ubiquitin proteasome system and p62/SQSTM1. In vivo experiments using B16-F10 melanoma tumor cells indicated that depletion of beclin1 resulted in an inhibition of B16-F10 tumor growth and increased tumor apoptosis. Moreover, in vivo inhibition of autophagy by hydroxychloroquine in B16-F10 tumor-bearing mice and mice vaccinated with tyrosinase-related protein-2 peptide dramatically increased tumor growth inhibition. Collectively, this study establishes a novel functional link between hypoxia-induced autophagy and the regulation of antigen-specific T-cell lysis and points to a major role of autophagy in the control of in vivo tumor growth. Cancer Res; 71(18); 5976–86. ©2011 AACR.

PD-L1 expression and regulation by mesenchymal tumor cells remain largely undefined. Here, we report that among different EMT-activated MCF7 human breast cancer cell clones, PD-L1 was differentially upregulated in MCF7 sh-WISP2, MCF7–1001/2101, and MDA-MB-231 cells but not in MCF7 SNAI1 and MCF7 SNAI1–6SA cells. Mechanistic investigations revealed that siRNA silencing of ZEB-1, but not SNAI1, TWIST, or SLUG and overexpression of miR200 family members in MCF7 sh-WISP2 cells strongly decreased PD-L1 expression. Thus, we propose that PD-L1 expression in EMT-activated breast cancer cells depends on the EMT-TF involved in EMT activation. Interestingly, siRNA-mediated targeting of PD-L1 or antibody-mediated PD-L1 block restored the susceptibility of highly resistant MCF7 sh-WISP2 and MCF7–2101 cells to CTL-mediated killing. Additionally, these results provide a novel preclinical rationale to explore EMT inhibitors as adjuvants to boost immunotherapeutic responses in subgroups of patients in whom malignant progression is driven by different EMT-TFs.

Significance The failure in achieving a durable clinical immune response against cancer cells depends on the ability of cancer cells to establish a microenvironment that prevent cytotoxic immune cells to infiltrate tumors and kill cancer cells. Therefore, the key approach to achieving successful antitumor immune response is to harness strategies allowing the reorientation of immune cells to the tumor. Herein we reveal that inhibiting autophagy induces a massive infiltration of natural killer immune cells into the tumor bed, and a subsequent dramatic decrease in the tumor volume of melanomas. These results highlight the role of targeting autophagy in breaking the immunosuppressive tumor microenvironment barrier, thus allowing the infiltration of natural killer cells into the tumor to kill cancer cells.