Neoantigens, which are derived from tumour-specific protein-coding mutations, are exempt from central tolerance, can generate robust immune responses1,2 and can function as bona fide antigens that facilitate tumour rejection3. Here we demonstrate that a strategy that uses multi-epitope, personalized neoantigen vaccination, which has previously been tested in patients with high-risk melanoma4-6, is feasible for tumours such as glioblastoma, which typically have a relatively low mutation load1,7 and an immunologically 'cold' tumour microenvironment8. We used personalized neoantigen-targeting vaccines to immunize patients newly diagnosed with glioblastoma following surgical resection and conventional radiotherapy in a phase I/Ib study. Patients who did not receive dexamethasone-a highly potent corticosteroid that is frequently prescribed to treat cerebral oedema in patients with glioblastoma-generated circulating polyfunctional neoantigen-specific CD4+ and CD8+ T cell responses that were enriched in a memory phenotype and showed an increase in the number of tumour-infiltrating T cells. Using single-cell T cell receptor analysis, we provide evidence that neoantigen-specific T cells from the peripheral blood can migrate into an intracranial glioblastoma tumour. Neoantigen-targeting vaccines thus have the potential to favourably alter the immune milieu of glioblastoma.

Intratumoral heterogeneity plays a critical role in tumor evolution. To define the contribution of DNA methylation to heterogeneity within tumors, we performed genome-scale bisulfite sequencing of 104 primary chronic lymphocytic leukemias (CLLs). Compared with 26 normal B cell samples, CLLs consistently displayed higher intrasample variability of DNA methylation patterns across the genome, which appears to arise from stochastically disordered methylation in malignant cells. Transcriptome analysis of bulk and single CLL cells revealed that methylation disorder was linked to low-level expression. Disordered methylation was further associated with adverse clinical outcome. We therefore propose that disordered methylation plays a similar role to that of genetic instability, enhancing the ability of cancer cells to search for superior evolutionary trajectories.

Personal neoantigen vaccines have been envisioned as an effective approach to induce, amplify and diversify antitumor T cell responses. To define the long-term effects of such a vaccine, we evaluated the clinical outcome and circulating immune responses of eight patients with surgically resected stage IIIB/C or IVM1a/b melanoma, at a median of almost 4 years after treatment with NeoVax, a long-peptide vaccine targeting up to 20 personal neoantigens per patient ( NCT01970358 ). All patients were alive and six were without evidence of active disease. We observed long-term persistence of neoantigen-specific T cell responses following vaccination, with ex vivo detection of neoantigen-specific T cells exhibiting a memory phenotype. We also found diversification of neoantigen-specific T cell clones over time, with emergence of multiple T cell receptor clonotypes exhibiting distinct functional avidities. Furthermore, we detected evidence of tumor infiltration by neoantigen-specific T cell clones after vaccination and epitope spreading, suggesting on-target vaccine-induced tumor cell killing. Personal neoantigen peptide vaccines thus induce T cell responses that persist over years and broaden the spectrum of tumor-specific cytotoxicity in patients with melanoma. Personalized neoantigen vaccination in patients with melanoma elicits durable and specific memory T cell clones that have cytotoxic gene signatures and can diversify to include nonvaccine neoantigen specificities.

Interactions between T cell receptors (TCRs) and their cognate tumour antigens are central to antitumour immune responses1–3; however, the relationship between phenotypic characteristics and TCR properties is not well elucidated. Here we show, by linking the antigenic specificity of TCRs and the cellular phenotype of melanoma-infiltrating lymphocytes at single-cell resolution, that tumour specificity shapes the expression state of intratumoural CD8+ T cells. Non-tumour-reactive T cells were enriched for viral specificities and exhibited a non-exhausted memory phenotype, whereas melanoma-reactive lymphocytes predominantly displayed an exhausted state that encompassed diverse levels of differentiation but rarely acquired memory properties. These exhausted phenotypes were observed both among clonotypes specific for public overexpressed melanoma antigens (shared across different tumours) or personal neoantigens (specific for each tumour). The recognition of such tumour antigens was provided by TCRs with avidities inversely related to the abundance of cognate targets in melanoma cells and proportional to the binding affinity of peptide–human leukocyte antigen (HLA) complexes. The persistence of TCR clonotypes in peripheral blood was negatively affected by the level of intratumoural exhaustion, and increased in patients with a poor response to immune checkpoint blockade, consistent with chronic stimulation mediated by residual tumour antigens. By revealing how the quality and quantity of tumour antigens drive the features of T cell responses within the tumour microenvironment, we gain insights into the properties of the anti-melanoma TCR repertoire. The authors use single-cell profiling and T cell receptor specificity screening to show how tumour antigen recognition shapes the phenotypes of CD8+ T cells and antitumour immune responses.

Abstract Background Detailed molecular analyses of cells from rheumatoid arthritis (RA) synovium hold promise in identifying cellular phenotypes that drive tissue pathology and joint damage. The Accelerating Medicines Partnership (AMP) RA/SLE network aims to deconstruct autoimmune pathology by examining cells within target tissues through multiple high-dimensional assays. Robust standardized protocols need to be developed before cellular phenotypes at a single cell level can be effectively compared across patient samples. Methods Multiple clinical sites collected cryopreserved synovial tissue fragments from arthroplasty and synovial biopsy in a 10%-DMSO solution. Mechanical and enzymatic dissociation parameters were optimized for viable cell extraction and surface protein preservation for cell sorting and mass cytometry, as well as for reproducibility in RNA sequencing (RNA-seq). Cryopreserved synovial samples were collectively analyzed at a central processing site by a custom-designed and validated 35-marker mass cytometry panel. In parallel, each sample was flow sorted into fibroblast, T cell, B cell, and macrophage suspensions for bulk population RNA-seq and plate-based single cell CEL-Seq2 RNA-seq. Results Upon dissociation, cryopreserved synovial tissue fragments yielded a high frequency of viable cells, comparable to samples undergoing immediate processing. Optimization of synovial tissue dissociation across six clinical collection sites with ∼30 arthroplasty and ∼20 biopsy samples yielded a consensus digestion protocol using 100µg/mL of Liberase TL ™ enzyme. This protocol yielded immune and stromal cell lineages with preserved surface markers and minimized variability across replicate RNA-seq transcriptomes. Mass cytometry analysis of cells from cryopreserved synovium distinguished: 1) diverse fibroblast phenotypes, 2) distinct populations of memory B cells and antibody-secreting cells, and 3) multiple CD4+ and CD8+ T cell activation states. Bulk RNA sequencing of sorted cell populations demonstrated robust separation of synovial lymphocytes, fibroblasts, and macrophages. Single cell RNA-seq produced transcriptomes of over 1000 genes/cell, including transcripts encoding characteristic lineage markers identified. Conclusion We have established a robust protocol to acquire viable cells from cryopreserved synovial tissue with intact transcriptomes and cell surface phenotypes. A centralized pipeline to generate multiple high-dimensional analyses of synovial tissue samples collected across a collaborative network was developed. Integrated analysis of such datasets from large patient cohorts may help define molecular heterogeneity within RA pathology and identify new therapeutic targets and biomarkers.

Abstract Cell therapies have yielded durable clinical benefits for patients with cancer, but the risks associated with the development of therapies from manipulated human cells are still being understood. For example, we currently lack a comprehensive understanding of the mechanisms of neurotoxicity observed in patients receiving T cell therapies, including recent reports of encephalitis caused by human herpesvirus 6 (HHV-6) reactivation 1 . Here, via petabase-scale viral RNA data mining, we examine the landscape of human latent viral reactivation and demonstrate that HHV-6B can become reactivated in human CD4+ T cells in standard in vitro cultures. Using single-cell sequencing, we identify a rare population of HHV-6 ‘super-expressors’ (~1 in 300-10,000 cells) that possess high viral transcriptional activity in chimeric antigen receptor (CAR) T cell culture before spreading to infect other cells in vitro . Through the analysis of single-cell sequencing data from patients receiving cell therapy products that are FDA-approved 2 or used in clinical studies 3,4 , we identify the presence of CAR+, HHV-6 super-expressor T cells in vivo . Together, our study implicates cell therapy products as a source of lytic HHV-6 reported in clinical trials 1,5–7 and has broad implications for the design, production, and monitoring of cell therapies.