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.

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

Abstract Adoptive immunotherapies composed of T cells engineered to express a chimeric antigen receptor (CAR) offer an attractive strategy for treatment of human cancer. However, CARs have a fixed antigen specificity such that only one tumor-associated antigen (TAA) can be targeted, limiting the efficacy that can be achieved because of heterogeneous TAA expression. For this reason, a more generalized and effective application of CAR therapy would benefit from the capability to produce large panels of CARs against many known TAAs. In this study, we show a novel strategy to extend the recognition specificity potential of a bioengineered lymphocyte population, allowing flexible approaches to redirect T cells against various TAAs. Our strategy employs a biotin-binding immune receptor (BBIR) composed of an extracellular-modified avidin linked to an intracellular T-cell signaling domain. BBIR T cells recognized and bound exclusively to cancer cells pretargeted with specific biotinylated molecules. The versatility afforded by BBIRs permitted sequential or simultaneous targeting of a combination of distinct antigens. Together, our findings show that a platform of universal T-cell specificity can significantly extend conventional CAR approaches, permitting the tailored generation of T cells of unlimited antigen specificity for improving the effectiveness of adoptive T-cell immunotherapies for cancer. Cancer Res; 72(7); 1844–52. ©2012 AACR.

The immunosuppressive tumor microenvironment (TME) represents a major barrier for effective immunotherapy. Tumor-associated macrophages (TAMs) are highly heterogeneous and plastic cell components of the TME which can either promote tumor progression (M2-like) or boost antitumor immunity (M1-like). Here, we demonstrate that a subset of TAMs that express folate receptor β (FRβ) possess an immunosuppressive M2-like profile. In syngeneic tumor mouse models, chimeric antigen receptor (CAR)-T cell-mediated selective elimination of FRβ+ TAMs in the TME results in an enrichment of pro-inflammatory monocytes, an influx of endogenous tumor-specific CD8+ T cells, delayed tumor progression, and prolonged survival. Preconditioning of the TME with FRβ-specific CAR-T cells also improves the effectiveness of tumor-directed anti-mesothelin CAR-T cells, while simultaneous co-administration of both CAR products does not. These results highlight the pro-tumor role of FRβ+ TAMs in the TME and the therapeutic implications of TAM-depleting agents as preparative adjuncts to conventional immunotherapies that directly target tumor antigens.

SUMMARY T cell exhaustion limits immune responses against cancer and is a major cause of resistance to CAR-T cell therapeutics. Using a model wherein tonic CAR signaling induces hallmark features of exhaustion, we employed a drug-regulatable CAR to test the impact of transient cessation of receptor signaling (i.e. “rest”) on the development and maintenance of exhaustion. Induction of rest in exhausting or already-exhausted CAR-T cells resulted in acquisition of a memory-like phenotype, improved anti-tumor functionality, and wholescale transcriptional and epigenetic reprogramming. Similar results were achieved with the Src kinase inhibitor dasatinib, which reversibly suppresses CAR signaling. The degree of functional reinvigoration was proportional to the duration of rest and was associated with expression of transcription factors TCF1 and LEF1. This work demonstrates that transient cessation of CAR-T cell signaling can enhance anti-tumor potency by preventing or reversing exhaustion and challenges the paradigm that exhaustion is an epigenetically fixed state.

CAR T cells mediate antitumor effects in a small subset of cancer patients, but dysfunction due to T cell exhaustion is an important barrier to progress. To investigate the biology of exhaustion in human T cells expressing CAR receptors, we used a model system employing a tonically signaling CAR, which induces hallmarks of exhaustion described in other settings. Exhaustion was associated with a profound defect in IL-2 production alongside increased chromatin accessibility of AP-1 transcription factor motifs, and overexpression of bZIP and IRF transcription factors that have been implicated in driving exhaustion. Here we demonstrate that engineering CAR T cells to overexpress c-Jun, a canonical AP-1 factor, enhanced expansion potential, increased functional capacity, diminished terminal differentiation and improved antitumor potency in five different in vivo tumor models. 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 exhaustion-resistant, thereby addressing a major barrier to progress for this emerging class of therapeutics.