Purpose Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common primary brain tumor in adults, and radiation is one of the main treatment modalities. However, cure rates remain low despite best available therapies. Immunotherapy is a promising modality that could work synergistically with radiation, which has been shown to increase antigen presentation and promote a proinflammatory tumor microenvironment. Programmed-death-1 (PD-1) is a surface receptor expressed on activated and exhausted T cells, which mediate T cell inhibition upon binding with its ligand PD-L1, expressed on many tumor types including human GBMs. We tested the combination of anti-PD-1 immunotherapy with stereotactic radiosurgery in a mouse orthotopic GBM model. Methods and Materials We performed intracranial implantation of mouse glioma cell line GL261 transfected with luciferase into C57BL/6 mice. Mice were stratified into 4 treatment groups: (1) control; (2) radiation only; (3) anti-PD-1 antibody only; and (4) radiation plus anti-PD-1 antibody. Overall survival was quantified. The mice were killed on day 21 after implantation to assess immunologic parameters in the brain/tumor, cervical lymph nodes, and spleen. Results Improved survival was demonstrated with combination anti-PD-1 therapy plus radiation compared with either modality alone: median survival was 25 days in the control arm, 27 days in the anti-PD-1 antibody arm, 28 days in the radiation arm, and 53 days in the radiation plus anti-PD-1 therapy arm (P<.05 by log-rank Mantle-Cox). Long-term survival was seen only in the combined treatment arm, with a fraction (15%-40%) of animals alive at day 180+ after treatment. Immunologic data on day 21 after implantation showed increased tumor infiltration by cytotoxic T cells (CD8+/interferon-γ+/tumor necrosis factor-α+) and decreased regulatory T cells (CD4+/FOXP3) in the combined treatment group compared with the single modality arms. Conclusions The combination of PD-1 blockade and localized radiation therapy results in long-term survival in mice with orthotopic brain tumors. These studies provide strong preclinical evidence to support combination trials in patients with GBM. Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common primary brain tumor in adults, and radiation is one of the main treatment modalities. However, cure rates remain low despite best available therapies. Immunotherapy is a promising modality that could work synergistically with radiation, which has been shown to increase antigen presentation and promote a proinflammatory tumor microenvironment. Programmed-death-1 (PD-1) is a surface receptor expressed on activated and exhausted T cells, which mediate T cell inhibition upon binding with its ligand PD-L1, expressed on many tumor types including human GBMs. We tested the combination of anti-PD-1 immunotherapy with stereotactic radiosurgery in a mouse orthotopic GBM model. We performed intracranial implantation of mouse glioma cell line GL261 transfected with luciferase into C57BL/6 mice. Mice were stratified into 4 treatment groups: (1) control; (2) radiation only; (3) anti-PD-1 antibody only; and (4) radiation plus anti-PD-1 antibody. Overall survival was quantified. The mice were killed on day 21 after implantation to assess immunologic parameters in the brain/tumor, cervical lymph nodes, and spleen. Improved survival was demonstrated with combination anti-PD-1 therapy plus radiation compared with either modality alone: median survival was 25 days in the control arm, 27 days in the anti-PD-1 antibody arm, 28 days in the radiation arm, and 53 days in the radiation plus anti-PD-1 therapy arm (P<.05 by log-rank Mantle-Cox). Long-term survival was seen only in the combined treatment arm, with a fraction (15%-40%) of animals alive at day 180+ after treatment. Immunologic data on day 21 after implantation showed increased tumor infiltration by cytotoxic T cells (CD8+/interferon-γ+/tumor necrosis factor-α+) and decreased regulatory T cells (CD4+/FOXP3) in the combined treatment group compared with the single modality arms. The combination of PD-1 blockade and localized radiation therapy results in long-term survival in mice with orthotopic brain tumors. These studies provide strong preclinical evidence to support combination trials in patients with GBM.

PD-1 blockade unleashes CD8 T cells1, including those specific for mutation-associated neoantigens (MANA), but factors in the tumour microenvironment can inhibit these T cell responses. Single-cell transcriptomics have revealed global T cell dysfunction programs in tumour-infiltrating lymphocytes (TIL). However, the majority of TIL do not recognize tumour antigens2, and little is known about transcriptional programs of MANA-specific TIL. Here, we identify MANA-specific T cell clones using the MANA functional expansion of specific T cells assay3 in neoadjuvant anti-PD-1-treated non-small cell lung cancers (NSCLC). We use their T cell receptors as a 'barcode' to track and analyse their transcriptional programs in the tumour microenvironment using coupled single-cell RNA sequencing and T cell receptor sequencing. We find both MANA- and virus-specific clones in TIL, regardless of response, and MANA-, influenza- and Epstein-Barr virus-specific TIL each have unique transcriptional programs. Despite exposure to cognate antigen, MANA-specific TIL express an incompletely activated cytolytic program. MANA-specific CD8 T cells have hallmark transcriptional programs of tissue-resident memory (TRM) cells, but low levels of interleukin-7 receptor (IL-7R) and are functionally less responsive to interleukin-7 (IL-7) compared with influenza-specific TRM cells. Compared with those from responding tumours, MANA-specific clones from non-responding tumours express T cell receptors with markedly lower ligand-dependent signalling, are largely confined to HOBIThigh TRM subsets, and coordinately upregulate checkpoints, killer inhibitory receptors and inhibitors of T cell activation. These findings provide important insights for overcoming resistance to PD-1 blockade.

The use of inhibitory checkpoint blockade in the management of glioblastoma has been studied in both preclinical and clinical settings. TIGIT is a novel checkpoint inhibitor recently discovered to play a role in cancer immunity. In this study, we sought to determine the effect of anti-PD-1 and anti-TIGIT combination therapy on survival in a murine glioblastoma (GBM) model, and to elucidate the underlying immune mechanisms. Using mice with intracranial GL261-luc+ tumors, we found that TIGIT expression was upregulated on CD8+ and regulatory T cells (Tregs) in the brain compared to draining cervical lymph nodes (CLN) and spleen. We then demonstrated that treatment using anti-PD-1 and anti-TIGIT dual therapy significantly improved survival compared to control and monotherapy groups. The therapeutic effect was correlated with both increased effector T cell function and downregulation of suppressive Tregs and tumor-infiltrating dendritic cells (TIDCs). Clinically, TIGIT expression on tumor-infiltrating lymphocytes was shown to be elevated in patient GBM samples, suggesting that the TIGIT pathway may be a valuable therapeutic target. Expression of the TIGIT ligand, PVR, further portended a poor survival outcome in patients with low-grade glioma. We conclude that anti-TIGIT is an effective treatment strategy against murine GBM when used in combination with anti-PD-1, improving overall survival via modifications of both the T cell and myeloid compartments. Given evidence of PVR expression on human GBM cells, TIGIT presents as a promising immune therapeutic target in the management of these patients.

Glioblastoma (GBM) is the most common malignant brain tumor in adults and is associated with a poor prognosis. Cytotoxic T lymphocyte antigen -4 (CTLA-4) blocking antibodies have demonstrated an ability to generate robust antitumor immune responses against a variety of solid tumors. 4-1BB (CD137) is expressed by activated T lymphocytes and served as a co-stimulatory signal, which promotes cytotoxic function. Here, we evaluate a combination immunotherapy regimen involving 4-1BB activation, CTLA-4 blockade, and focal radiation therapy in an immune-competent intracranial GBM model.GL261-luciferace cells were stereotactically implanted in the striatum of C57BL/6 mice. Mice were treated with a triple therapy regimen consisted of 4-1BB agonist antibodies, CTLA-4 blocking antibodies, and focal radiation therapy using a small animal radiation research platform and mice were followed for survival. Numbers of brain-infiltrating lymphocytes were analyzed by FACS analysis. CD4 or CD8 depleting antibodies were administered to determine the relative contribution of T helper and cytotoxic T cells in this regimen. To evaluate the ability of this immunotherapy to generate an antigen-specific memory response, long-term survivors were re-challenged with GL261 glioma en B16 melanoma flank tumors.Mice treated with triple therapy had increased survival compared to mice treated with focal radiation therapy and immunotherapy with 4-1BB activation and CTLA-4 blockade. Animals treated with triple therapy exhibited at least 50% long-term tumor free survival. Treatment with triple therapy resulted in a higher density of CD4+ and CD8+ tumor infiltrating lymphocytes. Mechanistically, depletion of CD4+ T cells abrogated the antitumor efficacy of triple therapy, while depletion of CD8+ T cells had no effect on the treatment response.Combination therapy with 4-1BB activation and CTLA-4 blockade in the setting of focal radiation therapy improves survival in an orthotopic mouse model of glioma by a CD4+ T cell dependent mechanism and generates antigen-specific memory.