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.

Abstract Long-living memory stem T cells (TSCM) with the ability to self-renew and the plasticity to differentiate into potent effectors could be valuable weapons in adoptive T-cell therapy against cancer. Nonetheless, procedures to specifically target this T-cell population remain elusive. Here, we show that it is possible to differentiate in vitro, expand, and gene modify in clinically compliant conditions CD8+ TSCM lymphocytes starting from naive precursors. Requirements for the generation of this T-cell subset, described as CD62L+CCR7+CD45RA+CD45R0+IL-7Rα+CD95+, are CD3/CD28 engagement and culture with IL-7 and IL-15. Accordingly, TSCM accumulates early after hematopoietic stem cell transplantation. The gene expression signature and functional phenotype define this population as a distinct memory T-lymphocyte subset, intermediate between naive and central memory cells. When transplanted in immunodeficient mice, gene-modified naive-derived TSCM prove superior to other memory lymphocytes for the ability to expand and differentiate into effectors able to mediate a potent xenogeneic GVHD. Furthermore, gene-modified TSCM are the only T-cell subset able to expand and mediate GVHD on serial transplantation, suggesting self-renewal capacity in a clinically relevant setting. These findings provide novel insights into the origin and requirements for TSCM generation and pave the way for their clinical rapid exploitation in adoptive cell therapy.

Prediction of HLA epitopes is important for the development of cancer immunotherapies and vaccines. However, current prediction algorithms have limited predictive power, in part because they were not trained on high-quality epitope datasets covering a broad range of HLA alleles. To enable prediction of endogenous HLA class I-associated peptides across a large fraction of the human population, we used mass spectrometry to profile >185,000 peptides eluted from 95 HLA-A, -B, -C and -G mono-allelic cell lines. We identified canonical peptide motifs per HLA allele, unique and shared binding submotifs across alleles and distinct motifs associated with different peptide lengths. By integrating these data with transcript abundance and peptide processing, we developed HLAthena, providing allele-and-length-specific and pan-allele-pan-length prediction models for endogenous peptide presentation. These models predicted endogenous HLA class I-associated ligands with 1.5-fold improvement in positive predictive value compared with existing tools and correctly identified >75% of HLA-bound peptides that were observed experimentally in 11 patient-derived tumor cell lines. Prediction of HLA class I epitopes is improved in accuracy and breath with peptidomes from 95 mono-allelic cell lines.

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 Mass spectrometry is the most effective method to directly identify peptides presented on HLA molecules. However, current standard approaches often require many millions of cells for input material to achieve high coverage of the immunopeptidome and are therefore not compatible with the often limited amounts of tissue available from clinical tumor samples. Here, we evaluated microscaled basic reversed-phase fractionation to separate HLA peptide samples off-line followed by ion mobility coupled to LC-MS/MS for analysis. The combination of these two separation methods enabled identification of 20% to 50% more peptides compared to samples analyzed without either prior fractionation or use of ion mobility alone. We demonstrate coverage of HLA immunopeptidomes with up to 8,107 distinct peptides starting with as few as 100 million cells or 150 milligrams of wet weight tumor tissue. This increased sensitivity can improve HLA binding prediction algorithms and enable detection of clinically relevant epitopes such as neoantigens.

Abstract Combined tracking of clonal evolution and chimeric cell phenotypes could enable detection of the key cellular populations associated with response following therapy, including after allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (HSCT). We demonstrate that mitochondrial DNA (mtDNA) mutations co-evolve with somatic nuclear DNA mutations at relapse post-HSCT and provide a sensitive means to monitor these cellular populations. Further, detection of mtDNA mutations via single-cell ATAC with select antigen profiling by sequencing (ASAP-seq) simultaneously determines not only donor and recipient cells, but also their phenotype, at frequencies of 0.1-1%. Finally, integration of mtDNA mutations, surface markers, and chromatin accessibility profiles enables the phenotypic resolution of leukemic populations from normal immune cells, thereby providing fresh insights into residual donor-derived engraftment and short-term clonal evolution following therapy for post-transplant leukemia relapse. As throughput evolves, we envision future development of single-cell sequencing-based post-transplant monitoring as a powerful approach for guiding clinical decision making.