通過日美共同研究，確信「能開發出治療藥物」

2000年，京都大學與美國遺傳學研究所等機構聯合開展研究，相繼發現了能與PD-1進行特異性結合的物質（配體）：PD-L1和PD-L2。癌細胞表面有PD-L1，其與免疫細胞的PD-1受體相結合的話，免疫細胞的反應就會被抑制，從而失去攻擊癌細胞的能力。通過抗PD-1抗體阻止上述結合，就能消除對免疫細胞反應的抑制，免疫細胞就有可能再次攻擊癌。

本庶研究室進行了動物實驗，就像期待的那樣，結果顯示那些被投用了抗PD-1抗體的小白鼠，抗癌能力顯著增強。2002年，本庶研究室發表了相關論文。另外，關於對移植的癌症轉移的抑制作用，也通過各種實驗補充了數據。

同時他們開始探索商用化的途徑，但由於當時的京都大學申請專利經驗不足，本庶佑邀請與其老師早有交往的小野藥品工業公司聯合申請專利。2002年，他們遞交了將PD-1用於免疫治療用途專利的臨時申請案。

本庶佑堅信，抗PD-1抗體能成為治癌藥物，他向很多製藥企業提議開發新藥。但在早期，包括小野藥品工業公司在內，對於癌症免疫療法都持懷疑態度，所以一直沒能得到積極的回應。本庶佑看到在日本國內基本沒反應，於是轉而尋求與美國的創業企業合作，美方反應十分積極。本庶把這一情況告知了小野藥品工業公司，小野藥品終於在最後關頭答應了自己來開發新藥。事實上，美國的生物技術企業Medarex公司，擁有製造人類抗體的專利，曾和小野藥品工業公司接觸，希望能將PD-1抗體推向臨床應用。這是小野藥品工業公司最後改變想法的根本原因。

2006年，美國食品藥品監督管理局（FDA）批准，Nivolumab作為人類PD-1抗體，可作為研究用途的新藥，同年在美國開展臨床試驗。2009年，美國製藥巨頭必治妥施貴寶（BMS，Bristol-Myers Squibb）公司，以24億美元的價格收購了Medarex公司，新藥研發進一步加速。