Resistance to therapy with BRAF kinase inhibitors is associated with reactivation of the mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway. To address this problem, we conducted a phase 1 and 2 trial of combined treatment with dabrafenib, a selective BRAF inhibitor, and trametinib, a selective MAPK kinase (MEK) inhibitor.

Approximately 50% of melanomas harbor activating (V600) mutations in the serine–threonine protein kinase B-RAF (BRAF). The oral BRAF inhibitor vemurafenib (PLX4032) frequently produced tumor regressions in patients with BRAF V600–mutant metastatic melanoma in a phase 1 trial and improved overall survival in a phase 3 trial.

Despite the success of monotherapies based on blockade of programmed cell death 1 (PD-1) in human melanoma, most patients do not experience durable clinical benefit. Pre-existing T-cell infiltration and/or the presence of PD-L1 in tumours may be used as indicators of clinical response; however, blood-based profiling to understand the mechanisms of PD-1 blockade has not been widely explored. Here we use immune profiling of peripheral blood from patients with stage IV melanoma before and after treatment with the PD-1-targeting antibody pembrolizumab and identify pharmacodynamic changes in circulating exhausted-phenotype CD8 T cells (Tex cells). Most of the patients demonstrated an immunological response to pembrolizumab. Clinical failure in many patients was not solely due to an inability to induce immune reinvigoration, but rather resulted from an imbalance between T-cell reinvigoration and tumour burden. The magnitude of reinvigoration of circulating Tex cells determined in relation to pretreatment tumour burden correlated with clinical response. By focused profiling of a mechanistically relevant circulating T-cell subpopulation calibrated to pretreatment disease burden, we identify a clinically accessible potential on-treatment predictor of response to PD-1 blockade.

Exhausted CD8+ T (Tex) cells in chronic infections and cancer have limited effector function, high co-expression of inhibitory receptors and extensive transcriptional changes compared with effector (Teff) or memory (Tmem) CD8+ T cells. Tex cells are important clinical targets of checkpoint blockade and other immunotherapies. Epigenetically, Tex cells are a distinct immune subset, with a unique chromatin landscape compared with Teff and Tmem cells. However, the mechanisms that govern the transcriptional and epigenetic development of Tex cells remain unknown. Here we identify the HMG-box transcription factor TOX as a central regulator of Tex cells in mice. TOX is largely dispensable for the formation of Teff and Tmem cells, but it is critical for exhaustion: in the absence of TOX, Tex cells do not form. TOX is induced by calcineurin and NFAT2, and operates in a feed-forward loop in which it becomes calcineurin-independent and sustained in Tex cells. Robust expression of TOX therefore results in commitment to Tex cells by translating persistent stimulation into a distinct Tex cell transcriptional and epigenetic developmental program. The transcription factor TOX is a central regulator of the transcriptional and epigenetic development of exhausted T cells.

Therapeutic blocking of the PD1 pathway results in significant tumor responses, but resistance is common. We demonstrate that prolonged interferon signaling orchestrates PDL1-dependent and PDL1-independent resistance to immune checkpoint blockade (ICB) and to combinations such as radiation plus anti-CTLA4. Persistent type II interferon signaling allows tumors to acquire STAT1-related epigenomic changes and augments expression of interferon-stimulated genes and ligands for multiple T cell inhibitory receptors. Both type I and II interferons maintain this resistance program. Crippling the program genetically or pharmacologically interferes with multiple inhibitory pathways and expands distinct T cell populations with improved function despite expressing markers of severe exhaustion. Consequently, tumors resistant to multi-agent ICB are rendered responsive to ICB monotherapy. Finally, we observe that biomarkers for interferon-driven resistance associate with clinical progression after anti-PD1 therapy. Thus, the duration of tumor interferon signaling augments adaptive resistance and inhibition of the interferon response bypasses requirements for combinatorial ICB therapies.

PURPOSE: Several single-institution phase II trials have reported that the Dartmouth regimen (dacarbazine, cisplatin, carmustine, and tamoxifen) can induce major tumor responses in 40% to 50% of stage IV melanoma patients. This study was designed to compare the overall survival time, rate of objective tumor response, and toxicity of the Dartmouth regimen with standard dacarbazine treatment in stage IV melanoma patients. PATIENTS AND METHODS: In this multicenter phase III trial, 240 patients with measurable stage IV melanoma were randomized to receive the Dartmouth regimen (dacarbazine 220 mg/m 2 and cisplatin 25 mg/m 2 days 1 to 3, carmustine 150 mg/m 2 day 1 every other cycle, and tamoxifen 10 mg orally bid) or dacarbazine 1,000 mg/m 2 . Treatment was repeated every 3 weeks. Patients were observed for tumor response, survival time, and toxicity. RESULTS: Median survival time from randomization was 7 months; 25% of the patients survived ≥ 1 year.There was no difference in survival time between the two treatment arms when analyzed on an intent-to-treat basis or when only the 231 patients who were both eligible and had received treatment were considered. Tumor response was assessable in 226 patients. The response rate to dacarbazine was 10.2% compared with 18.5% for the Dartmouth regimen (P = .09). Bone marrow suppression, nausea/vomiting, and fatigue were significantly more common in the Dartmouth arm. CONCLUSION: There was no difference in survival time and only a small, statistically nonsignificant increase in tumor response for stage IV melanoma patients treated with the Dartmouth regimen compared with dacarbazine. Dacarbazine remains the reference standard treatment for stage IV melanoma.

CD8+ T cell exhaustion is a major barrier to current anti-cancer immunotherapies. Despite this, the developmental biology of exhausted CD8+ T cells (Tex) remains poorly defined, restraining improvement of strategies aimed at “re-invigorating” Tex cells. Here, we defined a four-cell-stage developmental framework for Tex cells. Two TCF1+ progenitor subsets were identified, one tissue restricted and quiescent and one more blood accessible, that gradually lost TCF1 as it divided and converted to a third intermediate Tex subset. This intermediate subset re-engaged some effector biology and increased upon PD-L1 blockade but ultimately converted into a fourth, terminally exhausted subset. By using transcriptional and epigenetic analyses, we identified the control mechanisms underlying subset transitions and defined a key interplay between TCF1, T-bet, and Tox in the process. These data reveal a four-stage developmental hierarchy for Tex cells and define the molecular, transcriptional, and epigenetic mechanisms that could provide opportunities to improve cancer immunotherapy.

The effects of sorafenib – an oral multikinase inhibitor targeting the tumour and tumour vasculature – were evaluated in patients with advanced melanoma enrolled in a large multidisease Phase II randomised discontinuation trial (RDT). Enrolled patients received a 12-week run-in of sorafenib 400 mg twice daily (b.i.d.). Patients with changes in bi-dimensional tumour measurements <25% from baseline were then randomised to sorafenib or placebo for a further 12 weeks (ie to week 24). Patients with ⩾25% tumour shrinkage after the run-in continued on open-label sorafenib, whereas those with ⩾25% tumour growth discontinued treatment. This analysis focussed on secondary RDT end points: changes in bi-dimensional tumour measurements from baseline after 12 weeks and overall tumour responses (WHO criteria) at week 24, progression-free survival (PFS), safety and biomarkers (BRAF, KRAS and NRAS mutational status). Of 37 melanoma patients treated during the run-in phase, 34 were evaluable for response: one had ⩾25% tumour shrinkage and remained on open-label sorafenib; six (16%) had <25% tumour growth and were randomised (placebo, n=3; sorafenib, n=3); and 27 had ⩾25% tumour growth and discontinued. All three randomised sorafenib patients progressed by week 24; one remained on sorafenib for symptomatic relief. All three placebo patients progressed by week-24 and were re-started on sorafenib; one experienced disease re-stabilisation. Overall, the confirmed best responses for each of the 37 melanoma patients who received sorafenib were 19% stable disease (SD) (ie n=1 open-label; n=6 randomised), 62% (n=23) progressive disease (PD) and 19% (n=7) unevaluable. The overall median PFS was 11 weeks. The six randomised patients with SD had overall PFS values ranging from 16 to 34 weeks. The most common drug-related adverse events were dermatological (eg rash/desquamation, 51%; hand-foot skin reaction, 35%). There was no relationship between V600E BRAF status and disease stability. DNA was extracted from the biopsies of 17/22 patients. Six had V600E-positive tumours (n=4 had PD; n=1 had SD; n=1 unevaluable for response), and 11 had tumours containing wild-type BRAF (n=9 PD; n=1 SD; n=1 unevaluable for response). In conclusion, sorafenib is well tolerated but has little or no antitumour activity in advanced melanoma patients as a single agent at the dose evaluated (400 mg b.i.d.). Ongoing trials in advanced melanoma are evaluating sorafenib combination therapies.