Fry et al. report the first results from a human trial of a CD22-directed chimeric antigen receptor (CAR) T cell therapy providing evidence of efficacy in the treatment of pre–B cell acute lymphoblastic leukemia that is immunotherapy-naive or resistant to CD19-directed CAR T cells. Chimeric antigen receptor (CAR) T cells targeting CD19 mediate potent effects in relapsed and/or refractory pre–B cell acute lymphoblastic leukemia (B-ALL), but antigen loss is a frequent cause of resistance to CD19-targeted immunotherapy. CD22 is also expressed in most cases of B-ALL and is usually retained following CD19 loss. We report results from a phase 1 trial testing a new CD22-targeted CAR (CD22-CAR) in 21 children and adults, including 17 who were previously treated with CD19-directed immunotherapy. Dose-dependent antileukemic activity was observed, with complete remission obtained in 73% (11/15) of patients receiving ≥1 × 106 CD22-CAR T cells per kg body weight, including 5 of 5 patients with CD19dim or CD19− B-ALL. Median remission duration was 6 months. Relapses were associated with diminished CD22 site density that likely permitted CD22+ cell escape from killing by CD22-CAR T cells. These results are the first to establish the clinical activity of a CD22-CAR in B-ALL, including leukemia resistant to anti-CD19 immunotherapy, demonstrating potency against B-ALL comparable to that of CD19-CAR at biologically active doses. Our results also highlight the critical role played by antigen density in regulating CAR function.

Chimeric antigen receptor (CAR) T cells mediate anti-tumour effects in a small subset of patients with cancer1–3, but dysfunction due to T cell exhaustion is an important barrier to progress4–6. To investigate the biology of exhaustion in human T cells expressing CAR receptors, we used a model system with a tonically signaling CAR, which induces hallmark features of exhaustion6. Exhaustion was associated with a profound defect in the production of IL-2, along with increased chromatin accessibility of AP-1 transcription factor motifs and overexpression of the bZIP and IRF transcription factors that have been implicated in mediating dysfunction in exhausted T cells7–10. Here we show that CAR T cells engineered to overexpress the canonical AP-1 factor c-Jun have enhanced expansion potential, increased functional capacity, diminished terminal differentiation and improved anti-tumour potency in five different mouse tumour models in vivo. We conclude that a functional deficiency in c-Jun mediates dysfunction in exhausted human T cells, and that engineering CAR T cells to overexpress c-Jun renders them resistant to exhaustion, thereby addressing a major barrier to progress for this emerging class of therapeutic agents. Chimeric antigen receptor (CAR) T cells engineered to overexpress the canonical AP-1 transcription factor c-Jun are resistant to T cell exhaustion, and provide enhanced therapeutic benefit in mouse tumour models.

Diffuse intrinsic pontine glioma (DIPG) and other H3K27M-mutated diffuse midline gliomas (DMGs) are universally lethal paediatric tumours of the central nervous system1. We have previously shown that the disialoganglioside GD2 is highly expressed on H3K27M-mutated glioma cells and have demonstrated promising preclinical efficacy of GD2-directed chimeric antigen receptor (CAR) T cells2, providing the rationale for a first-in-human phase I clinical trial (NCT04196413). Because CAR T cell-induced brainstem inflammation can result in obstructive hydrocephalus, increased intracranial pressure and dangerous tissue shifts, neurocritical care precautions were incorporated. Here we present the clinical experience from the first four patients with H3K27M-mutated DIPG or spinal cord DMG treated with GD2-CAR T cells at dose level 1 (1 × 106 GD2-CAR T cells per kg administered intravenously). Patients who exhibited clinical benefit were eligible for subsequent GD2-CAR T cell infusions administered intracerebroventricularly3. Toxicity was largely related to the location of the tumour and was reversible with intensive supportive care. On-target, off-tumour toxicity was not observed. Three of four patients exhibited clinical and radiographic improvement. Pro-inflammatory cytokine levels were increased in the plasma and cerebrospinal fluid. Transcriptomic analyses of 65,598 single cells from CAR T cell products and cerebrospinal fluid elucidate heterogeneity in response between participants and administration routes. These early results underscore the promise of this therapeutic approach for patients with H3K27M-mutated DIPG or spinal cord DMG. A phase I dose-escalation trial of GD2-CAR T cells in children and young adults with diffuse midline gliomas to assess the feasibility of manufacturing, safety and tolerability, and to preliminarily assess efficacy.

Abstract Purpose: Patients with relapsed pediatric solid tumors and CNS malignancies have few therapeutic options and frequently die of their disease. Chimeric antigen receptor (CAR) T cells have shown tremendous success in treating relapsed pediatric acute lymphoblastic leukemia, but this has not yet translated to treating solid tumors. This is partially due to a paucity of differentially expressed cell surface molecules on solid tumors that can be safely targeted. Here, we present B7-H3 (CD276) as a putative target for CAR T-cell therapy of pediatric solid tumors, including those arising in the central nervous system. Experimental Design: We developed a novel B7-H3 CAR whose binder is derived from a mAb that has been shown to preferentially bind tumor tissues and has been safely used in humans in early-phase clinical trials. We tested B7-H3 CAR T cells in a variety of pediatric cancer models. Results: B7-H3 CAR T cells mediate significant antitumor activity in vivo, causing regression of established solid tumors in xenograft models including osteosarcoma, medulloblastoma, and Ewing sarcoma. We demonstrate that B7-H3 CAR T-cell efficacy is largely dependent upon high surface target antigen density on tumor tissues and that activity is greatly diminished against target cells that express low levels of antigen, thus providing a possible therapeutic window despite low-level normal tissue expression of B7-H3. Conclusions: B7-H3 CAR T cells could represent an exciting therapeutic option for patients with certain lethal relapsed or refractory pediatric malignancies, and should be tested in carefully designed clinical trials.

Diffuse intrinsic pontine glioma (DIPG) and other diffuse midline gliomas (DMGs) with mutated histone H3 K27M (H3-K27M)1–5 are aggressive and universally fatal pediatric brain cancers6. Chimeric antigen receptor (CAR)-expressing T cells have mediated impressive clinical activity in B cell malignancies7–10, and recent results suggest benefit in central nervous system malignancies11–13. Here, we report that patient-derived H3-K27M-mutant glioma cell cultures exhibit uniform, high expression of the disialoganglioside GD2. Anti-GD2 CAR T cells incorporating a 4-1BBz costimulatory domain14 demonstrated robust antigen-dependent cytokine generation and killing of DMG cells in vitro. In five independent patient-derived H3-K27M+ DMG orthotopic xenograft models, systemic administration of GD2-targeted CAR T cells cleared engrafted tumors except for a small number of residual GD2lo glioma cells. To date, GD2-targeted CAR T cells have been well tolerated in clinical trials15–17. Although GD2-targeted CAR T cell administration was tolerated in the majority of mice bearing orthotopic xenografts, peritumoral neuroinflammation during the acute phase of antitumor activity resulted in hydrocephalus that was lethal in a fraction of animals. Given the precarious neuroanatomical location of midline gliomas, careful monitoring and aggressive neurointensive care management will be required for human translation. With a cautious multidisciplinary clinical approach, GD2-targeted CAR T cell therapy for H3-K27M+ diffuse gliomas of pons, thalamus and spinal cord could prove transformative for these lethal childhood cancers. Lethal pediatric tumors bearing a particular histone H3 mutation upregulate the disialoganglioside GD2, thereby making these tumors susceptible to chimeric antigen receptor T cell–based immunotherapy.

CAR-T cells rest to get back in the race Chimeric antigen receptor (CAR)–T cells, which are engineered to target specific tumor antigens, are increasingly used as an immunotherapy. CAR-T cells have shown promising results in patients, particularly in hematologic cancers, but their anticancer activity can be limited by the onset of exhaustion and the loss of effectiveness. Weber et al. characterized the phenotypic and epigenomic changes associated with CAR-T cell exhaustion caused by continuous activity and the beneficial effects of transient rest periods (see the Perspective by Mamonkin and Brenner). The authors tested different approaches for providing these rest periods, such as using the drug dasatinib to temporarily suppress T cell activity, which helped to prevent exhaustion and improved antitumor activity in mouse models. Science , this issue p. eaba1786 ; see also p. 34

Abstract Despite impressive progress, more than 50% of patients treated with CD19-targeting chimeric antigen receptor T cells (CAR19) experience progressive disease. Ten of 16 patients with large B cell lymphoma (LBCL) with progressive disease after CAR19 treatment had absent or low CD19. Lower surface CD19 density pretreatment was associated with progressive disease. To prevent relapse with CD19 − or CD19 lo disease, we tested a bispecific CAR targeting CD19 and/or CD22 (CD19-22.BB.z-CAR) in a phase I clinical trial ( NCT03233854 ) of adults with relapsed/refractory B cell acute lymphoblastic leukemia (B-ALL) and LBCL. The primary end points were manufacturing feasibility and safety with a secondary efficacy end point. Primary end points were met; 97% of products met protocol-specified dose and no dose-limiting toxicities occurred during dose escalation. In B-ALL ( n = 17), 100% of patients responded with 88% minimal residual disease-negative complete remission (CR); in LBCL ( n = 21), 62% of patients responded with 29% CR. Relapses were CD19 −/lo in 50% (5 out of 10) of patients with B-ALL and 29% (4 out of 14) of patients with LBCL but were not associated with CD22 −/lo disease. CD19/22-CAR products demonstrated reduced cytokine production when stimulated with CD22 versus CD19. Our results further implicate antigen loss as a major cause of CAR T cell resistance, highlight the challenge of engineering multi-specific CAR T cells with equivalent potency across targets and identify cytokine production as an important quality indicator for CAR T cell potency.

Abstract Insufficient reactivity against cells with low antigen density has emerged as an important cause of chimeric antigen receptor (CAR) T-cell resistance. Little is known about factors that modulate the threshold for antigen recognition. We demonstrate that CD19 CAR activity is dependent upon antigen density and that the CAR construct in axicabtagene ciloleucel (CD19-CD28ζ) outperforms that in tisagenlecleucel (CD19-4-1BBζ) against antigen-low tumors. Enhancing signal strength by including additional immunoreceptor tyrosine-based activation motifs (ITAM) in the CAR enables recognition of low-antigen-density cells, whereas ITAM deletions blunt signal and increase the antigen density threshold. Furthermore, replacement of the CD8 hinge-transmembrane (H/T) region of a 4-1BBζ CAR with a CD28-H/T lowers the threshold for CAR reactivity despite identical signaling molecules. CARs incorporating a CD28-H/T demonstrate a more stable and efficient immunologic synapse. Precise design of CARs can tune the threshold for antigen recognition and endow 4-1BBζ-CARs with enhanced capacity to recognize antigen-low targets while retaining a superior capacity for persistence. Significance: Optimal CAR T-cell activity is dependent on antigen density, which is variable in many cancers, including lymphoma and solid tumors. CD28ζ-CARs outperform 4-1BBζ-CARs when antigen density is low. However, 4-1BBζ-CARs can be reengineered to enhance activity against low-antigen-density tumors while maintaining their unique capacity for persistence. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 627

We explored the utility of targeting anaplastic lymphoma kinase (ALK), a cell surface receptor overexpressed on pediatric solid tumors, using chimeric antigen receptor (CAR)-based immunotherapy. T cells expressing a CAR incorporating the single-chain variable fragment sequence of the ALK48 mAb linked to a 4-1BB-CD3ζ signaling domain lysed ALK-expressing tumor lines and produced interferon-gamma upon antigen stimulation but had limited anti-tumor efficacy in two xenograft models of human neuroblastoma. Further exploration demonstrated that cytokine production was highly dependent upon ALK target density and that target density of ALK on neuroblastoma cell lines was insufficient for maximal activation of CAR T cells. In addition, ALK CAR T cells demonstrated rapid and complete antigen-induced loss of receptor from the T cell surface via internalization. Using a model that simultaneously modulated antigen density and CAR expression, we demonstrated that CAR functionality is regulated by target antigen and CAR density and that low expression of either contributes to limited anti-tumor efficacy of the ALK CAR. These data suggest that stoichiometric relationships between CAR receptors and target antigens may significantly impact the anti-tumor efficacy of CAR T cells and that manipulation of these parameters could allow precise tuning of CAR T cell activity.

Regulatable CAR platforms could circumvent toxicities associated with CAR-T therapy, but existing systems have shortcomings including leakiness and attenuated activity. Here, we present SNIP CARs, a protease-based platform for regulating CAR activity using an FDA-approved small molecule. Design iterations yielded CAR-T cells that manifest full functional capacity with drug and no leaky activity in the absence of drug. In numerous models, SNIP CAR-T cells were more potent than constitutive CAR-T cells and showed diminished T cell exhaustion and greater stemness. In a ROR1-based CAR lethality model, drug cessation following toxicity onset reversed toxicity, thereby credentialing the platform as a safety switch. In the same model, reduced drug dosing opened a therapeutic window that resulted in tumor eradication in the absence of toxicity. SNIP CARs enable remote tuning of CAR activity, which provides solutions to safety and efficacy barriers that are currently limiting progress in using CAR-T cells to treat solid tumors.