Clinical trials in melanoma patients carrying B-RAF gene mutations have shown promising results with the B-RAF kinase inhibitor PLX4032, but many patients go on to become resistant. Two papers now uncover possible mechanisms for this resistance. Nazarian et al. report that melanomas can acquire resistance due to mutations of N-RAS or increased expression of PDGFRβ, and Johannessen et al. report resistance due to upregulation of MAP3K8/COT. Each of these mechanisms seems to apply to some patients in the recent PLX4032 trial, yet surprisingly, no secondary B-RAF mutations were observed. Recent data from early clinical trials in melanoma patients carrying mutations in the B-RAF gene have shown promising results with the B-RAF kinase inhibitor PLX4032; however, many patients eventually develop resistance to this treatment. Two papers now uncover possible mechanisms of resistance to PLX4032. One paper shows that upregulation of MAP3K8 (which encodes COT) can confer resistance of melanoma cells to B-RAF inhibitors, whereas another paper found that melanomas can acquire resistance due to mutations of N-RAS or increased expression of PDGFRβ. Each of these resistance mechanisms seems to apply to at least some patients on recent PLX4032 trial, whereas, surprisingly, so far no secondary B-RAF mutations have been observed. Activating B-RAF(V600E) (also known as BRAF) kinase mutations occur in ∼7% of human malignancies and ∼60% of melanomas1. Early clinical experience with a novel class I RAF-selective inhibitor, PLX4032, demonstrated an unprecedented 80% anti-tumour response rate among patients with B-RAF(V600E)-positive melanomas, but acquired drug resistance frequently develops after initial responses2. Hypotheses for mechanisms of acquired resistance to B-RAF inhibition include secondary mutations in B-RAF(V600E), MAPK reactivation, and activation of alternative survival pathways3,4,5. Here we show that acquired resistance to PLX4032 develops by mutually exclusive PDGFRβ (also known as PDGFRB) upregulation or N-RAS (also known as NRAS) mutations but not through secondary mutations in B-RAF(V600E). We used PLX4032-resistant sub-lines artificially derived from B-RAF(V600E)-positive melanoma cell lines and validated key findings in PLX4032-resistant tumours and tumour-matched, short-term cultures from clinical trial patients. Induction of PDGFRβ RNA, protein and tyrosine phosphorylation emerged as a dominant feature of acquired PLX4032 resistance in a subset of melanoma sub-lines, patient-derived biopsies and short-term cultures. PDGFRβ-upregulated tumour cells have low activated RAS levels and, when treated with PLX4032, do not reactivate the MAPK pathway significantly. In another subset, high levels of activated N-RAS resulting from mutations lead to significant MAPK pathway reactivation upon PLX4032 treatment. Knockdown of PDGFRβ or N-RAS reduced growth of the respective PLX4032-resistant subsets. Overexpression of PDGFRβ or N-RAS(Q61K) conferred PLX4032 resistance to PLX4032-sensitive parental cell lines. Importantly, MAPK reactivation predicts MEK inhibitor sensitivity. Thus, melanomas escape B-RAF(V600E) targeting not through secondary B-RAF(V600E) mutations but via receptor tyrosine kinase (RTK)-mediated activation of alternative survival pathway(s) or activated RAS-mediated reactivation of the MAPK pathway, suggesting additional therapeutic strategies.

Abstract BRAF inhibitors elicit rapid antitumor responses in the majority of patients with BRAFV600-mutant melanoma, but acquired drug resistance is almost universal. We sought to identify the core resistance pathways and the extent of tumor heterogeneity during disease progression. We show that mitogen-activated protein kinase reactivation mechanisms were detected among 70% of disease-progressive tissues, with RAS mutations, mutant BRAF amplification, and alternative splicing being most common. We also detected PI3K–PTEN–AKT–upregulating genetic alterations among 22% of progressive melanomas. Distinct molecular lesions in both core drug escape pathways were commonly detected concurrently in the same tumor or among multiple tumors from the same patient. Beyond harboring extensively heterogeneous resistance mechanisms, melanoma regrowth emerging from BRAF inhibitor selection displayed branched evolution marked by altered mutational spectra/signatures and increased fitness. Thus, melanoma genomic heterogeneity contributes significantly to BRAF inhibitor treatment failure, implying upfront, cotargeting of two core pathways as an essential strategy for durable responses. Significance: This study provides critical insights into how human BRAF-mutant melanoma, a malignancy with marked mutational burden, escapes from BRAF inhibitors. Understanding the core resistance pathways as well as tumor heterogeneity, fitness, and mutational patterns, which emerge under drug selection, lays a foundation to rationalize clinical studies and investigate mechanisms of disease progression. Cancer Discov; 4(1); 80–93. ©2013 AACR. See related commentary by Solit and Rosen, p. 27 This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1

The development of acquired drug resistance hampers the long-term success of B-RAF inhibitor therapy for melanoma patients. Here we show V600EB-RAF copy-number gain as a mechanism of acquired B-RAF inhibitor resistance in 4 out of 20 (20%) patients treated with B-RAF inhibitor. In cell lines, V600EB-RAF overexpression and knockdown conferred B-RAF inhibitor resistance and sensitivity, respectively. In V600EB-RAF amplification-driven (versus mutant N-RAS-driven) B-RAF inhibitor resistance, extracellular signal-regulated kinase reactivation is saturable, with higher doses of vemurafenib down-regulating phosho-extracellular signal-regulated kinase and re-sensitizing melanoma cells to B-RAF inhibitor. These two mechanisms of extracellular signal-regulated kinase reactivation are sensitive to the MEK1/2 inhibitor AZD6244/selumetinib or its combination with the B-RAF inhibitor vemurafenib. In contrast to mutant N-RAS-mediated V600EB-RAF bypass, which is sensitive to C-RAF knockdown, V600EB-RAF amplification-mediated resistance functions largely independently of C-RAF. Thus, alternative clinical strategies may potentially overcome distinct modes of extracellular signal-regulated kinase reactivation underlying acquired B-RAF inhibitor resistance in melanoma. B-RAF is mutated in a large proportion of melanomas, and the first small molecule inhibitor has recently been approved for melanoma treatment. Here, by exome sequencing melanoma samples, Shi and colleagues show that B-RAF is amplified in tumours that have acquired resistance to the B-RAF inhibitor vemurafenib.

Cellular immunity has an inherent high level of functional heterogeneity. Capturing the full spectrum of these functions requires analysis of large numbers of effector molecules from single cells. We report a microfluidic platform designed for highly multiplexed (more than ten proteins), reliable, sample-efficient (∼1 × 10(4) cells) and quantitative measurements of secreted proteins from single cells. We validated the platform by assessment of multiple inflammatory cytokines from lipopolysaccharide (LPS)-stimulated human macrophages and comparison to standard immunotechnologies. We applied the platform toward the ex vivo quantification of T cell polyfunctional diversity via the simultaneous measurement of a dozen effector molecules secreted from tumor antigen-specific cytotoxic T lymphocytes (CTLs) that were actively responding to tumor and compared against a cohort of healthy donor controls. We observed profound, yet focused, functional heterogeneity in active tumor antigen-specific CTLs, with the major functional phenotypes quantitatively identified. The platform represents a new and informative tool for immune monitoring and clinical assessment.

Abstract Tumor responses to programmed cell death protein 1 (PD-1) blockade therapy are mediated by T cells, which we characterized in 102 tumor biopsies obtained from 53 patients treated with pembrolizumab, an antibody to PD-1. Biopsies were dissociated, and single-cell infiltrates were analyzed by multicolor flow cytometry using two computational approaches to resolve the leukocyte phenotypes at the single-cell level. There was a statistically significant increase in the frequency of T cells in patients who responded to therapy. The frequency of intratumoral B cells and monocytic myeloid-derived suppressor cells significantly increased in patients' biopsies taken on treatment. The percentage of cells with a regulatory T-cell phenotype, monocytes, and natural killer cells did not change while on PD-1 blockade therapy. CD8+ memory T cells were the most prominent phenotype that expanded intratumorally on therapy. However, the frequency of CD4+ effector memory T cells significantly decreased on treatment, whereas CD4+ effector T cells significantly increased in nonresponding tumors on therapy. In peripheral blood, an unusual population of blood cells expressing CD56 was detected in two patients with regressing melanoma. In conclusion, PD-1 blockade increases the frequency of T cells, B cells, and myeloid-derived suppressor cells in tumors, with the CD8+ effector memory T-cell subset being the major T-cell phenotype expanded in patients with a response to therapy. Cancer Immunol Res; 4(3); 194–203. ©2016 AACR.

Abstract Purpose: To evaluate the immunomodulatory effects of cytotoxic T–lymphocyte-associated protein 4 (CTLA4) blockade with tremelimumab in peripheral blood mononuclear cells (PBMC). Experimental Design: We used next-generation sequencing to study the complementarity-determining region 3 (CDR3) from the rearranged T-cell receptor (TCR) variable beta (V-beta) in PBMCs of 21 patients, at baseline and 30 to 60 days after receiving tremelimumab. Results: After receiving tremelimumab, there was a median of 30% increase in unique productive sequences of TCR V-beta CDR3 in 19 out of 21 patients, and a median decrease of 30% in only 2 out of 21 patients. These changes were significant for richness (P = 0.01) and for Shannon index diversity (P = 0.04). In comparison, serially collected PBMCs from four healthy donors did not show a significant change in TCR V-beta CDR3 diversity over 1 year. There was a significant difference in the total unique productive TCR V-beta CDR3 sequences between patients experiencing toxicity with tremelimumab compared with patients without toxicity (P = 0.05). No relevant differences were noted between clinical responders and nonresponders. Conclusions: CTLA4 blockade with tremelimumab diversifies the peripheral T-cell pool, representing a pharmacodynamic effect of how this class of antibodies modulates the human immune system. Clin Cancer Res; 20(9); 2424–32. ©2014 AACR.

Abstract Purpose: PD-L1 is the main ligand for the immune inhibitory receptor PD-1. This ligand is frequently expressed by melanoma cells. In this study, we investigated whether PD-L1 expression is controlled by melanoma driver mutations and modified by oncogenic signaling inhibition. Experimental Design: Expression of PD-L1 was investigated in a panel of 51 melanoma cell lines containing different oncogenic mutations, including cell lines with innate and acquired resistance to BRAF inhibitors (BRAFi). The effects of targeted therapy drugs on expression of PD-L1 by melanoma cells were investigated. Results: No association was found between the level of PD-L1 expression and mutations in BRAF, NRAS, PTEN, or amplification of AKT. Resistance to vemurafenib due to the activation of alternative signaling pathways was accompanied with the induction of PD-L1 expression, whereas the resistance due to the reactivation of the MAPK pathway had no effect on PD-L1 expression. In melanoma cell lines, the effects of BRAF, MEK, and PI3K inhibitors on expression of PD-L1 were variable from reduction to induction, particularly in the presence of INFγ. In PD-L1–exposed lymphocytes, vemurafenib paradoxically restored activity of the MAPK pathway and increased the secretion of cytokines. Conclusions: In melanoma cell lines, including BRAFi-resistant cells, PD-L1 expression is variably regulated by oncogenic signaling pathways. PD-L1–exposed lymphocytes decrease MAPK signaling, which is corrected by exposure to vemurafenib, providing potential benefits of combining this drug with immunotherapies. Clin Cancer Res; 20(13); 3446–57. ©2014 AACR.

It has been demonstrated that large numbers of tumor-specific T cells for adoptive cell transfer (ACT) can be manufactured by retroviral genetic engineering of autologous peripheral blood lymphocytes and expanding them over several weeks. In mouse models, this therapy is optimized when administered with dendritic cell (DC) vaccination. We developed a short 1-week manufacture protocol to determine the feasibility, safety, and antitumor efficacy of this double cell therapy.A clinical trial (NCT00910650) adoptively transferring MART-1 T-cell receptor (TCR) transgenic lymphocytes together with MART-1 peptide-pulsed DC vaccination in HLA-A2.1 patients with metastatic melanoma. Autologous TCR transgenic cells were manufactured in 6 to 7 days using retroviral vector gene transfer, and reinfused with (n = 10) or without (n = 3) prior cryopreservation.A total of 14 patients with metastatic melanoma were enrolled and 9 of 13 treated patients (69%) showed evidence of tumor regression. Peripheral blood reconstitution with MART-1-specific T cells peaked within 2 weeks of ACT, indicating rapid in vivo expansion. Administration of freshly manufactured TCR transgenic T cells resulted in a higher persistence of MART-1-specific T cells in the blood as compared with cryopreserved. Evidence that DC vaccination could cause further in vivo expansion was only observed with ACT using noncryopreserved T cells.Double cell therapy with ACT of TCR-engineered T cells with a very short ex vivo manipulation and DC vaccines is feasible and results in antitumor activity, but improvements are needed to maintain tumor responses.