Background Anti-programmed cell death 1 (PD-1) antibody combined with chemotherapy simultaneously is regarded as the standard treatment for patients with advanced non-small cell lung cancer (NSCLC) by current clinical guidelines. Different immune statuses induced by chemotherapy considerably affect the synergistic effects of the chemo-anti-PD-1 combination. Therefore, it is necessary to determine the optimal timing of combination treatment administration. Methods The dynamic immune status induced by chemotherapy was observed in paired peripheral blood samples of patients with NSCLC using flow cytometry and RNA sequencing. Ex vivo studies and metastatic lung carcinoma mouse models were used to evaluate immune activity and explore the optimal combination timing. A multicenter prospective clinical study of 170 patients with advanced NSCLC was performed to assess clinical responses, and systemic immunity was assessed using omics approaches. Results PD-1 expression on CD8 + T cells was downregulated on day 1 (D1) and D2, but recovered on D3 after chemotherapy administration, which is regulated by the calcium influx-P65 signaling pathway. Programmed cell death 1 ligand 1 expression in myeloid-derived suppressor cells was markedly reduced on D3. RNA sequencing analysis showed that T-cell function began to gradually recover on D3 rather than on D1. In addition, ex vivo and in vivo studies have shown that anti-PD-1 treatment on D3 after chemotherapy may enhance the antitumor response and considerably inhibit tumor growth. Finally, in clinical practice, a 3-day-delay sequential combination enhanced the objective response rate (ORR, 68%) and disease control rate (DCR, 98%) compared with the simultaneous combination (ORR=37%; DCR=81%), and prolonged progression-free survival to a greater extent than the simultaneous combination. The new T-cell receptor clones were effectively expanded, and CD8 + T-cell activity was similarly recovered. Conclusions A 3-day-delay sequential combination might increase antitumor responses and clinical benefits compared with the simultaneous combination.

Introduction Malignant pleural effusion (MPE) is associated with poor quality of life and mortality in patients with tumors. In clinical practice, we observed that patients with malignant pleural effusion (MPE) and concurrent heart disease exhibited a decrease in MPE volumes following treatment with β-receptor blockers for heart disease. Immunosuppressive tumor microenvironment was found to play a substantial role in the progression of MPE, and mainly attributed to tumor-associated macrophages (TAMs). However, whether β-receptor blockers improve MPE through affecting the immune microenvironment especially TAMs and the potential mechanism behind remains unclear. Methods In this study, we collected the MPE samples from MPE and heart disease patients treated with propranolol, and performed flow cytometry experiment to evaluate the effect of propranolol on MPE immune microenvironment. Then, the mechanism that how propranolol effectively reprogrammed the immunosuppressive microenvironment of MPE was conducted by the experiments of mass spectrometry, RNA-seq, flow cytometry, immunofluorescence, western blotting, etc. Lastly, to further evaluate the effect of propranolol on MPE therapy in vivo, we developed a mouse model of MPE. We administrated propranolol into MPE-bearing mice to investigate the therapy efficacy and the changes of MPE microenvironment by the experiments of computed tomography (CT) scanning, flow cytometry, etc. Results We observed that propranolol treatment in MPE patients with heart disease decreased TAM frequency and immunosuppression and enhanced anti-tumor immunity. Macrophages in MPE exhibited an immunosuppressive phenotype via the activation of norepinephrine metabolism. Subsequently, we found that lactate was increased in MPE and may contribute to an increase in TAM frequency and inhibition of anti-tumor immunity by macrophages. Additionally, lactate triggered phenylalanine/norepinephrine signaling and further induced macrophage immunosuppression in an ERK-depended way. Lastly, in the MPE mouse model, propranolol inhibited MPE development and reversed the immune microenvironment of MPE. Discussion Here, we reveal the mechanism by which lactate induces macrophage immunosuppression via activating phenylalanine/norepinephrine signaling. Our findings highlight that blocking norepinephrine signaling by β-receptor blockers is an attractive therapeutic strategy to enhance anti-tumor immunity in the context of MPE