Is cancer immunotherapy a private affair? Immune checkpoint blockade, a relatively new cancer treatment, substantially extends the survival of a subset of patients. Previous work has shown that patients whose tumors harbor the largest number of mutations—and thus produce a large number of “neoantigens” recognized as foreign by the immune system—are most likely to benefit. Expanding on these earlier studies, Van Allen et al. studied over 100 patients with melanoma and found a similar correlation (see the Perspective by Gubin and Schreiber). There was no evidence, however, that specific neoantigen sequences were shared by patients who responded. Science , this issue p. 207 , see also p. 158

Abstract Most patients with BRAFV600-mutant metastatic melanoma develop resistance to selective RAF kinase inhibitors. The spectrum of clinical genetic resistance mechanisms to RAF inhibitors and options for salvage therapy are incompletely understood. We performed whole-exome sequencing on formalin-fixed, paraffin-embedded tumors from 45 patients with BRAFV600-mutant metastatic melanoma who received vemurafenib or dabrafenib monotherapy. Genetic alterations in known or putative RAF inhibitor resistance genes were observed in 23 of 45 patients (51%). Besides previously characterized alterations, we discovered a “long tail” of new mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway alterations (MAP2K2, MITF) that confer RAF inhibitor resistance. In three cases, multiple resistance gene alterations were observed within the same tumor biopsy. Overall, RAF inhibitor therapy leads to diverse clinical genetic resistance mechanisms, mostly involving MAPK pathway reactivation. Novel therapeutic combinations may be needed to achieve durable clinical control of BRAFV600-mutant melanoma. Integrating clinical genomics with preclinical screens may model subsequent resistance studies. Significance: The use of RAF inhibitors for BRAFV600-mutant metastatic melanoma improves patient outcomes, but most patients demonstrate early or acquired resistance to this targeted therapy. We reveal the genetic landscape of clinical resistance mechanisms to RAF inhibitors from patients using whole-exome sequencing, and experimentally assess new observed mechanisms to define potential subsequent treatment strategies. Cancer Discov; 4(1); 94–109. ©2013 AACR. See related commentary by Solit and Rosen, p. 27 This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1

Abstract Immune-checkpoint blockade (ICB) has demonstrated efficacy in many tumor types, but predictors of responsiveness to anti-PD1 ICB are incompletely characterized. In this study, we analyzed a clinically annotated cohort of patients with melanoma ( n = 144) treated with anti-PD1 ICB, with whole-exome and whole-transcriptome sequencing of pre-treatment tumors. We found that tumor mutational burden as a predictor of response was confounded by melanoma subtype, whereas multiple novel genomic and transcriptomic features predicted selective response, including features associated with MHC-I and MHC-II antigen presentation. Furthermore, previous anti-CTLA4 ICB exposure was associated with different predictors of response compared to tumors that were naive to ICB, suggesting selective immune effects of previous exposure to anti-CTLA4 ICB. Finally, we developed parsimonious models integrating clinical, genomic and transcriptomic features to predict intrinsic resistance to anti-PD1 ICB in individual tumors, with validation in smaller independent cohorts limited by the availability of comprehensive data. Broadly, we present a framework to discover predictive features and build models of ICB therapeutic response.

Enhancing immune responses with immune-modulatory monoclonal antibodies directed to inhibitory immune receptors is a promising modality in cancer therapy. Clinical efficacy has been demonstrated with antibodies blocking inhibitory immune checkpoints such as cytotoxic T lymphocyte-associated antigen 4 (CTLA-4) or PD-1/PD-L1. Treatment with ipilimumab, a fully human CTLA-4-specific mAb, showed durable clinical efficacy in metastatic melanoma; its mechanism of action is, however, only partially understood. This is a study of 29 patients with advanced cutaneous melanoma treated with ipilimumab. We analyzed peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) and matched melanoma metastases from 15 patients responding and 14 not responding to ipilimumab by multicolor flow cytometry, antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity (ADCC) assay, and immunohistochemistry. PBMCs and matched tumor biopsies were collected 24 h before (i.e., baseline) and up to 4 wk after ipilimumab. Our findings show, to our knowledge for the first time, that ipilimumab can engage ex vivo FcγRIIIA (CD16)-expressing, nonclassical monocytes resulting in ADCC-mediated lysis of regulatory T cells (Tregs). In contrast, classical CD14(++)CD16(-) monocytes are unable to do so. Moreover, we show that patients responding to ipilimumab display significantly higher baseline peripheral frequencies of nonclassical monocytes compared with nonresponder patients. In the tumor microenvironment, responders have higher CD68(+)/CD163(+) macrophage ratios at baseline and show decreased Treg infiltration after treatment. Together, our results suggest that anti-CTLA-4 therapy may target Tregs in vivo. Larger translational studies are, however, warranted to substantiate this mechanism of action of ipilimumab in patients.

Abstract Purpose: Biomarkers for outcome after immune-checkpoint blockade are strongly needed as these may influence individual treatment selection or sequence. We aimed to identify baseline factors associated with overall survival (OS) after pembrolizumab treatment in melanoma patients. Experimental Design: Serum lactate dehydrogenase (LDH), routine blood count parameters, and clinical characteristics were investigated in 616 patients. Endpoints were OS and best overall response following pembrolizumab treatment. Kaplan–Meier analysis and Cox regression were applied for survival analysis. Results: Relative eosinophil count (REC) ≥1.5%, relative lymphocyte count (RLC) ≥17.5%, ≤2.5-fold elevation of LDH, and the absence of metastasis other than soft-tissue/lung were associated with favorable OS in the discovery (n = 177) and the confirmation (n = 182) cohort and had independent positive impact (all P < 0.001). Their independent role was subsequently confirmed in the validation cohort (n = 257; all P < 0.01). The number of favorable factors was strongly associated with prognosis. One-year OS probabilities of 83.9% versus 14.7% and response rates of 58.3% versus 3.3% were observed in patients with four of four compared to those with none of four favorable baseline factors present, respectively. Conclusions: High REC and RLC, low LDH, and absence of metastasis other than soft-tissue/lung are independent baseline characteristics associated with favorable OS of patients with melanoma treated with pembrolizumab. Presence of four favorable factors in combination identifies a subgroup with excellent prognosis. In contrast, patients with no favorable factors present have a poor prognosis, despite pembrolizumab, and additional treatment advances are still needed. A potential predictive impact needs to be further investigated. Clin Cancer Res; 22(22); 5487–96. ©2016 AACR.

Abstract Purpose: To identify baseline peripheral blood biomarkers associated with clinical outcome following ipilimumab treatment in advanced melanoma patients. Experimental Design: Frequencies of myeloid-derived suppressor cells (MDSC) and regulatory T cells (Treg), serum lactate dehydrogenase (LDH), routine blood counts, and clinical characteristics were assessed in 209 patients. Endpoints were overall survival (OS) and best overall response. Statistical calculations were done by Kaplan–Meier and Cox regression analysis, including calibration and discrimination by C-statistics. Results: Low baseline LDH, absolute monocyte counts (AMC), Lin−CD14+HLA-DR−/low-MDSC frequencies, and high absolute eosinophil counts (AEC), relative lymphocyte counts (RLC), and CD4+CD25+FoxP3+-Treg frequencies were significantly associated with better survival, and were considered in a combination model. Patients (43.5%) presenting with the best biomarker signature had a 30% response rate and median survival of 16 months. In contrast, patients with the worst biomarkers (27.5%) had only a 3% response rate and median survival of 4 months. The occurrence of adverse events correlated with neither baseline biomarker signatures nor the clinical benefit of ipilimumab. In another model, limited to the routine parameters LDH, AMC, AEC, and RLC, the number of favorable factors (4 vs. 3 vs. 2–0) was also associated with OS (P < 0.001 for all pairwise comparisons) in the main study and additionally in an independent validation cohort. Conclusions: A baseline signature of low LDH, AMC, and MDSCs as well as high AEC, Tregs, and RLC is associated with favorable outcome following ipilimumab. Prospective investigation of the predictive impact of these markers following ipilimumab and other treatments, e.g., PD-1 antibodies, is warranted. Clin Cancer Res; 22(12); 2908–18. ©2016 AACR.

In mice, injection of messenger RNA (mRNA) coding for tumor-associated antigens can induce antitumor immune responses and therefore offers a broadly applicable immunotherapy approach. We injected intradermally protamine-stabilized mRNAs coding for Melan-A, Tyrosinase, gp100, Mage-A1, Mage-A3, and Survivin in 21 metastatic melanoma patients. In 10 patients keyhole limpet hemocyanin (KLH) was added to the vaccine. Granulocyte macrophage colony-stimulating factor was applied as an adjuvant. Endpoints were toxicity and immune responses. No adverse events more than grade II have been observed. During treatment the frequency of Foxp3+/CD4+ regulatory T cells was significantly decreased upon mRNA vaccination in peripheral blood of the patients in the KLH arm, whereas myeloid suppressor cells (CD11b+HLA-DR lo monocytes) were reduced in the patients not receiving KLH. A reproducible increase of vaccine-directed T cells was observed in 2 of 4 immunologically evaluable patients. One of 7 patients with measurable disease showed a complete response. In conclusion, we show here that direct injection of protamine-protected mRNA is feasible and safe. The significant influence of the treatment on the frequency of immunosuppressive cells, the increase of vaccine-directed T cells upon treatment in a subset of patients together with the demonstration of a complete clinical response encourage further clinical investigation of the protamine-mRNA vaccine.

To analyze the prognostic relevance and relative impact of circulating myeloid-derived suppressor cells (MDSC) and regulatory T cells (Treg) compared with functional tumor antigen-specific T cells in patients with melanoma with distant metastasis.The percentage of CD14(+)CD11b(+)HLA-DR(-/low) MDSCs, CD4(+)CD25(+)FoxP3(+) Tregs, and the presence of NY-ESO-1- or Melan-A-specific T cells was analyzed in 94 patients and validated in an additional cohort of 39 patients by flow cytometry. Univariate survival differences were calculated according to Kaplan-Meier and log-rank tests. Multivariate analyses were performed using Cox regression models.NY-ESO-1-specific T cells, the M-category, and the frequency of MDSCs were associated with survival. The absence of NY-ESO-1-specific T cells and the M-category M1c independently increased the risk of death. In a second Cox model not considering results on antigen-specific T cells, a frequency of >11% MDSCs showed independent impact. Its association with survival was confirmed in the additional patient cohort. Median survival of patients with a lower frequency of MDSCs was 13 months versus 8 months for others (P < 0.001, combined cohorts). We observed a strong correlation between high levels of MDSCs and the absence of melanoma antigen-specific T cells implying a causal and clinically relevant interaction. No prognostic impact was observed for Tregs.Circulating CD14(+)CD11b(+)HLA-DR(-/low) MDSCs have a negative impact on survival and inversely correlate with the presence of functional antigen-specific T cells in patients with advanced melanoma. Our findings provide a rationale to investigate MDSC-depleting strategies in the therapeutic setting especially in combination with vaccination or T-cell transfer approaches.

Abstract Melanoma treatment has been revolutionized by antibody-based immunotherapies. IFNγ secretion by CD8 + T cells is critical for therapy efficacy having anti-proliferative and pro-apoptotic effects on tumour cells. Our study demonstrates a genetic evolution of IFNγ resistance in different melanoma patient models. Chromosomal alterations and subsequent inactivating mutations in genes of the IFNγ signalling cascade, most often JAK1 or JAK2, protect melanoma cells from anti-tumour IFNγ activity. JAK1/2 mutants further evolve into T-cell-resistant HLA class I-negative lesions with genes involved in antigen presentation silenced and no longer inducible by IFNγ. Allelic JAK1/2 losses predisposing to IFNγ resistance development are frequent in melanoma. Subclones harbouring inactivating mutations emerge under various immunotherapies but are also detectable in pre-treatment biopsies. Our data demonstrate that JAK1/2 deficiency protects melanoma from anti-tumour IFNγ activity and results in T-cell-resistant HLA class I-negative lesions. Screening for mechanisms of IFNγ resistance should be considered in therapeutic decision-making.