Abstract Purpose: Radiotherapy is a highly effective anticancer treatment forming part of the standard of care for the majority of patients, but local and distal disease recurrence remains a major cause of mortality. Radiotherapy is known to enhance tumor immunogenicity; however, the contribution and mechanisms of radiotherapy-induced immune responses are unknown. Experimental Design: The impact of low-dose fractionated radiotherapy (5 × 2 Gy) alone and in combination with αPD-1 mAb on the tumor microenvironment was evaluated by flow cytometry and next-generation sequencing of the T-cell receptor (TCR) repertoire. A dual-tumor model was used, with fractionated radiotherapy delivered to a single tumor site to enable evaluation of the local and systemic response to treatment and ability to induce abscopal responses outside the radiation field. Results: We show that fractionated radiotherapy leads to T-cell infiltration at the irradiated site; however, the TCR landscape remains dominated by polyclonal expansion of preexisting T-cell clones. Adaptive resistance via the PD-1/PD-L1 pathway restricts the generation of systemic anticancer immunity following radiotherapy, which can be overcome through combination with αPD-1 mAb leading to improved local and distal tumor control. Moreover, we show that effective clearance of tumor following combination therapy is dependent on both T cells resident in the tumor at the time of radiotherapy and infiltrating T cells. Conclusions: These data provide evidence that radiotherapy can enhance T-cell trafficking to locally treated tumor sites and augment preexisting anticancer T-cell responses with the capacity to mediate regression of out-of-field tumor lesions when delivered in combination with αPD-1 mAb therapy. Clin Cancer Res; 23(18); 5514–26. ©2017 AACR.

Radiotherapy (RT) is essential in treating abdominal and pelvic cancers but often damages the healthy tissues, particularly the intestines, leading to radiation-induced toxicities with limited treatment options. While the immune system is known to regulate tissue damage, immune mechanisms involved in RT-induced intestinal toxicity are not fully understood. CT-guided localised intestinal irradiation, single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) and flow cytometry revealed RT-induced chemokine-dependent recruitment of immune cells. Deletion of C-C chemokine receptor (Ccr)1, Ccr2, Ccr3 and Ccr5, blocked recruitment and worsened radiation induced toxicities. Furthermore, CCR2-deficient mice showed exacerbated weight loss and intestinal permeability, while the transfer of Ly6C+ monocytes alleviated symptoms. Mechanistically, IL-17 cytokine production by group 3 innate lymphoid cells (ILC3s), a critical factor in maintaining intestinal barrier integrity, was reduced in irradiated CCR2-/-, however the transfer of Ly6C+ monocytes resulted in increased IL-17 levels. These findings demonstrate the critical importance of CCR2-mediated monocyte recruitment in mitigating RT-induced toxicities.