Abstract Defective dendritic cell (DC) function caused by abnormal differentiation of these cells is an important mechanism of tumor escape from immune system control. Previously, we have demonstrated that the number and function of DC were dramatically reduced in cancer patients. This effect was closely associated with accumulation of immature cells (ImC) in peripheral blood. In this study, we investigated the nature and functional role of those ImC. Using flow cytometry, electron microscopy, colony formation assays, and cell differentiation in the presence of different cell growth factors, we have determined that the population of ImC is composed of a small percentage (<2%) of hemopoietic progenitor cells, with all other cells being represented by MHC class I-positive myeloid cells. About one-third of ImC were immature macrophages and DC, and the remaining cells were immature myeloid cells at earlier stages of differentiation. These cells were differentiated into mature DC in the presence of 1 μM all-trans-retinoic acid. Removal of ImC from DC fractions completely restored the ability of the DC to stimulate allogeneic T cells. In two different experimental systems ImC inhibited Ag-specific T cell responses. Thus, immature myeloid cells generated in large numbers in cancer patients are able to directly inhibit Ag-specific T cell responses. This may represent a new mechanism of immune suppression in cancer and may suggest a new approach to cancer treatment.

Antigen-specific CD8+ T-cell tolerance, induced by myeloid-derived suppressor cells (MDSCs), is one of the main mechanisms of tumor escape. Using in vivo models, we show here that MDSCs directly disrupt the binding of specific peptide–major histocompatibility complex (pMHC) dimers to CD8-expressing T cells through nitration of tyrosines in a T-cell receptor (TCR)-CD8 complex. This process makes CD8-expressing T cells unable to bind pMHC and to respond to the specific peptide, although they retain their ability to respond to nonspecific stimulation. Nitration of TCR-CD8 is induced by MDSCs through hyperproduction of reactive oxygen species and peroxynitrite during direct cell-cell contact. Molecular modeling suggests specific sites of nitration that might affect the conformational flexibility of TCR-CD8 and its interaction with pMHC. These data identify a previously unknown mechanism of T-cell tolerance in cancer that is also pertinent to many pathological conditions associated with accumulation of MDSCs.

Myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) are a major component of the immune-suppressive network described in cancer and many other pathological conditions. We demonstrate that although MDSCs from peripheral lymphoid organs and the tumor site share similar phenotype and morphology, these cells display profound functional differences. MDSC from peripheral lymphoid organs suppressed antigen-specific CD8+ T cells but failed to inhibit nonspecific T cell function. In sharp contrast, tumor MDSC suppressed both antigen-specific and nonspecific T cell activity. The tumor microenvironment caused rapid and dramatic up-regulation of arginase I and inducible nitric oxide synthase in MDSC, which was accompanied by down-regulation of nicotinamide adenine dinucleotide phosphate–oxidase and reactive oxygen species in these cells. In contrast to MDSC from the spleen, MDSC from the tumor site rapidly differentiated into macrophages. Exposure of spleen MDSC to hypoxia resulted in the conversion of these cells to nonspecific suppressors and their preferential differentiation to macrophages. Hypoxia-inducible factor (HIF) 1α was found to be primarily responsible for the observed effects of the tumor microenvironment on MDSC differentiation and function. Thus, hypoxia via HIF-1α dramatically alters the function of MDSC in the tumor microenvironment and redirects their differentiation toward tumor-associated macrophages, hence providing a mechanistic link between different myeloid suppressive cells in the tumor microenvironment.

Defective function of dendritic cells (DC) in cancer has been recently described and may represent one of the mechanisms of tumor evasion from immune system control. We have previously shown in vitro that vascular endothelial growth factor (VEGF), produced by almost all tumors, is one of the tumor-derived factors responsible for the defective function of these cells. In this study, we investigated whether in vivo infusion of recombinant VEGF could reproduce the observed DC dysfunction. Continuous VEGF infusion, at rates as low as 50 ng/h (resulting in serum VEGF concentrations of 120 to 160 pg/mL), resulted in a dramatic inhibition of dendritic cell development, associated with an increase in the production of B cells and immature Gr-1+ myeloid cells. Infusion of VEGF was associated with inhibition of the activity of the transcription factor NF-κB in bone marrow progenitor cells. Experiments in vitro showed that VEGF itself, and not factors released by VEGF-activated endothelial cells, affected polypotent stem cells resulting in the observed abnormal hematopoiesis. These data suggest that VEGF, at pathologically relevant concentrations in vivo, may exert effects on pluripotent stem cells that result in blocked DC development as well as affect many other hematopoietic lineages.

Accumulation of myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) associated with inhibition of dendritic cell (DC) differentiation is one of the major immunological abnormalities in cancer and leads to suppression of antitumor immune responses. The molecular mechanism of this phenomenon remains unclear. We report here that STAT3-inducible up-regulation of the myeloid-related protein S100A9 enhances MDSC production in cancer. Mice lacking this protein mounted potent antitumor immune responses and rejected implanted tumors. This effect was reversed by administration of wild-type MDSCs from tumor-bearing mice to S100A9-null mice. Overexpression of S100A9 in cultured embryonic stem cells or transgenic mice inhibited the differentiation of DCs and macrophages and induced accumulation of MDSCs. This study demonstrates that tumor-induced up-regulation of S100A9 protein is critically important for accumulation of MDSCs and reveals a novel molecular mechanism of immunological abnormalities in cancer.

Abstract Tumor growth is associated with the accumulation of immature myeloid cells (ImC), which in mice are characterized by the expression of Gr-1 and CD11b markers. These cells suppress Ag-specific CD8+ T cells via direct cell-cell contact. However, the mechanism of immunosuppressive activity of tumor-derived ImC remains unclear. In this study we analyzed the function of ImC isolated from tumor-free control and tumor-bearing mice. Only ImC isolated from tumor-bearing mice, not those from their control counterparts, were able to inhibit the Ag-specific response of CD8+ T cells. ImC obtained from tumor-bearing mice had significantly higher levels of reactive oxygen species (ROS) than ImC isolated from tumor-free animals. Accumulation of H2O2, but not superoxide or NO, was a major contributor to this increased pool of ROS. It appears that arginase activity played an important role in H2O2 accumulation in these cells. Inhibition of ROS in ImC completely abrogated the inhibitory effect of these cells on T cells, indicating that ImC generated in tumor-bearing hosts suppress the CD8+ T cell response via production of ROS. Interaction of ImC with Ag-specific T cells in the presence of specific Ags resulted in a significant increase in ROS production compared with control Ags. That increase was independent of IFN-γ production by T cells, but was mediated by integrins CD11b, CD18, and CD29. Blocking of these integrins with specific Abs abrogated ROS production and ImC-mediated suppression of CD8+ T cell responses. This study demonstrates a new mechanism of Ag-specific T cell inhibition mediated by ROS produced by ImCs in cancer.

Abstract Defective function of dendritic cells (DC) in cancer has been recently described and may represent one of the mechanisms of tumor evasion from immune system control. We have previously shown in vitro that vascular endothelial growth factor (VEGF), produced by almost all tumors, is one of the tumor-derived factors responsible for the defective function of these cells. In this study, we investigated whether in vivo infusion of recombinant VEGF could reproduce the observed DC dysfunction. Continuous VEGF infusion, at rates as low as 50 ng/h (resulting in serum VEGF concentrations of 120 to 160 pg/mL), resulted in a dramatic inhibition of dendritic cell development, associated with an increase in the production of B cells and immature Gr-1+ myeloid cells. Infusion of VEGF was associated with inhibition of the activity of the transcription factor NF-κB in bone marrow progenitor cells. Experiments in vitro showed that VEGF itself, and not factors released by VEGF-activated endothelial cells, affected polypotent stem cells resulting in the observed abnormal hematopoiesis. These data suggest that VEGF, at pathologically relevant concentrations in vivo, may exert effects on pluripotent stem cells that result in blocked DC development as well as affect many other hematopoietic lineages.

Abstract Myeloid-derived suppressor cells (MDSC) are a major component of the immune suppressive network described in cancer and many other pathological conditions. Recent studies have demonstrated that one of the major mechanisms of MDSC-induced immune suppression is mediated by reactive oxygen species (ROS). However, the mechanism of this phenomenon remained unknown. In this study, we observed a substantial up-regulation of ROS by MDSC in all of seven different tumor models and in patients with head and neck cancer. The increased ROS production by MDSC is mediated by up-regulated activity of NADPH oxidase (NOX2). MDSC from tumor-bearing mice had significantly higher expression of NOX2 subunits, primarily p47phox and gp91phox, compared with immature myeloid cells from tumor-free mice. Expression of NOX2 subunits in MDSC was controlled by the STAT3 transcription factor. In the absence of NOX2 activity, MDSC lost the ability to suppress T cell responses and quickly differentiated into mature macrophages and dendritic cells. These findings expand our fundamental understanding of the biology of MDSC and may also open new opportunities for therapeutic regulation of these cells in cancer.