Abstract Inhibitory receptors on immune cells are pivotal regulators of immune escape in cancer. Among these inhibitory receptors, CTLA-4 (targeted clinically by ipilimumab) serves as a dominant off-switch while other receptors such as PD-1 and LAG-3 seem to serve more subtle rheostat functions. However, the extent of synergy and cooperative interactions between inhibitory pathways in cancer remain largely unexplored. Here, we reveal extensive coexpression of PD-1 and LAG-3 on tumor-infiltrating CD4+ and CD8+ T cells in three distinct transplantable tumors. Dual anti–LAG-3/anti–PD-1 antibody treatment cured most mice of established tumors that were largely resistant to single antibody treatment. Despite minimal immunopathologic sequelae in PD-1 and LAG-3 single knockout mice, dual knockout mice abrogated self-tolerance with resultant autoimmune infiltrates in multiple organs, leading to eventual lethality. However, Lag3−/−Pdcd1−/− mice showed markedly increased survival from and clearance of multiple transplantable tumors. Together, these results define a strong synergy between the PD-1 and LAG-3 inhibitory pathways in tolerance to both self and tumor antigens. In addition, they argue strongly that dual blockade of these molecules represents a promising combinatorial strategy for cancer. Cancer Res; 72(4); 917–27. ©2011 AACR.

Summary

 Spontaneous tumor-initiated T cell priming is dependent on IFN-β production by tumor-resident dendritic cells. On the basis of recent observations indicating that IFN-β expression was dependent upon activation of the host STING pathway, we hypothesized that direct engagement of STING through intratumoral (IT) administration of specific agonists would result in effective anti-tumor therapy. After proof-of-principle studies using the mouse STING agonist DMXAA showed a potent therapeutic effect, we generated synthetic cyclic dinucleotide (CDN) derivatives that activated all human STING alleles as well as murine STING. IT injection of STING agonists induced profound regression of established tumors in mice and generated substantial systemic immune responses capable of rejecting distant metastases and providing long-lived immunologic memory. Synthetic CDNs have high translational potential as a cancer therapeutic.

Despite lack of tumor control in many models, spontaneous T cell priming occurs frequently in response to a growing tumor. However, the innate immune mechanisms that promote natural antitumor T cell responses are undefined. In human metastatic melanoma, there was a correlation between a type I interferon (IFN) transcriptional profile and T cell markers in metastatic tumor tissue. In mice, IFN-β was produced by CD11c+ cells after tumor implantation, and tumor-induced T cell priming was defective in mice lacking IFN-α/βR or Stat1. IFN signaling was required in the hematopoietic compartment at the level of host antigen-presenting cells, and selectively for intratumoral accumulation of CD8α+ dendritic cells, which were demonstrated to be essential using Batf3−/− mice. Thus, host type I IFNs are critical for the innate immune recognition of a growing tumor through signaling on CD8α+ DCs.

Neuropilin-1 (Nrp1) on regulatory T (Treg) cells is shown to interact with semaphorin-4a (Sema4a) to promote a program of Treg-cell stability and survival, in part through PTEN-mediated modulation of Akt signalling; Nrp1-deficient Treg cells can maintain immune homeostasis but fail to suppress in inflammatory sites, such as tumours, providing an attractive immunotherapeutic target for the treatment of cancers. Regulatory T cells (Treg) constitute a barrier to effective anti-tumour immunity. Their depletion can induce reduction and clearance of many tumours, but as the cells perform an important balancing role in the immune system, depletion also results in unchecked autoimmunity and death. This paper describes an interaction between semaphorin-4a — an activator for T-cell-mediated immunity — and the neuropilin receptor Nrp1 on Treg cells that is required for Treg cells to limit anti-tumour immune responses and to cure established inflammatory colitis, but is dispensable for suppression of autoimmunity and maintenance of immune homeostasis. It remains to be determined whether it is feasible to limit tumour growth by targeting Treg cells without unleashing autoimmunity. The two biological activities may be inseparable, but this work points to ways in which this important system can be further characterized. Regulatory T cells (Treg cells) have a crucial role in the immune system by preventing autoimmunity, limiting immunopathology, and maintaining immune homeostasis1. However, they also represent a major barrier to effective anti-tumour immunity and sterilizing immunity to chronic viral infections1. The transcription factor Foxp3 has a major role in the development and programming of Treg cells2,3. The relative stability of Treg cells at inflammatory disease sites has been a highly contentious subject4,5,6. There is considerable interest in identifying pathways that control the stability of Treg cells as many immune-mediated diseases are characterized by either exacerbated or limited Treg-cell function. Here we show that the immune-cell-expressed ligand semaphorin-4a (Sema4a) and the Treg-cell-expressed receptor neuropilin-1 (Nrp1) interact both in vitro, to potentiate Treg-cell function and survival, and in vivo, at inflammatory sites. Using mice with a Treg-cell-restricted deletion of Nrp1, we show that Nrp1 is dispensable for suppression of autoimmunity and maintenance of immune homeostasis, but is required by Treg cells to limit anti-tumour immune responses and to cure established inflammatory colitis. Sema4a ligation of Nrp1 restrained Akt phosphorylation cellularly and at the immunologic synapse by phosphatase and tensin homologue (PTEN), which increased nuclear localization of the transcription factor Foxo3a. The Nrp1-induced transcriptome promoted Treg-cell stability by enhancing quiescence and survival factors while inhibiting programs that promote differentiation. Importantly, this Nrp1-dependent molecular program is evident in intra-tumoral Treg cells. Our data support a model in which Treg-cell stability can be subverted in certain inflammatory sites, but is maintained by a Sema4a–Nrp1 axis, highlighting this pathway as a potential therapeutic target that could limit Treg-cell-mediated tumour-induced tolerance without inducing autoimmunity.