It is now well established that immune responses can take place outside of primary and secondary lymphoid organs. We previously described the presence of tertiary lymphoid structures (TLS) in patients with non-small cell lung cancer (NSCLC) characterized by clusters of mature dendritic cells (DCs) and T cells surrounded by B-cell follicles. We demonstrated that the density of these mature DCs was associated with favorable clinical outcome.To study the role of follicular B cells in TLS and the potential link with a local humoral immune response in patients with NSCLC.The cellular composition of TLS was investigated by immunohistochemistry. Characterization of B-cell subsets was performed by flow cytometry. A retrospective study was conducted in two independent cohorts of patients. Antibody specificity was analyzed by ELISA.Consistent with TLS organization, all stages of B-cell differentiation were detectable in most tumors. Germinal center somatic hypermutation and class switch recombination machineries were activated, associated with the generation of plasma cells. Approximately half of the patients showed antibody reactivity against up to 7 out of the 33 tumor antigens tested. A high density of follicular B cells correlated with long-term survival, both in patients with early-stage NSCLC and with advanced-stage NSCLC treated with chemotherapy. The combination of follicular B cell and mature DC densities allowed the identification of patients with the best clinical outcome.B-cell density represents a new prognostic biomarker for NSCLC patient survival, and makes the link between TLS and a protective B cell-mediated immunity.

Chimeric antigen receptors (CARs) are receptors for antigen that direct potent immune responses. Tumor escape associated with low target antigen expression is emerging as one potential limitation of their efficacy. Here we edit the TRAC locus in human peripheral blood T cells to engage cell-surface targets through their T cell receptor-CD3 complex reconfigured to utilize the same immunoglobulin heavy and light chains as a matched CAR. We demonstrate that these HLA-independent T cell receptors (HIT receptors) consistently afford high antigen sensitivity and mediate tumor recognition beyond what CD28-based CARs, the most sensitive design to date, can provide. We demonstrate that the functional persistence of HIT T cells can be augmented by constitutive coexpression of CD80 and 4-1BBL. Finally, we validate the increased antigen sensitivity afforded by HIT receptors in xenograft mouse models of B cell leukemia and acute myeloid leukemia, targeting CD19 and CD70, respectively. Overall, HIT receptors are well suited for targeting cell surface antigens of low abundance.

Immune cells have intensely physical lifestyles characterized by structural plasticity and force exertion. To investigate whether specific immune functions require stereotyped mechanical outputs, we used super-resolution traction force microscopy to compare the immune synapses formed by cytotoxic T cells with contacts formed by other T cell subsets and by macrophages. T cell synapses were globally compressive, which was fundamentally different from the pulling and pinching associated with macrophage phagocytosis. Spectral decomposition of force exertion patterns from each cell type linked cytotoxicity to compressive strength, local protrusiveness, and the induction of complex, asymmetric topography. These features were validated as cytotoxic drivers by genetic disruption of cytoskeletal regulators, live imaging of synaptic secretion, and in silico analysis of interfacial distortion. Synapse architecture and force exertion were sensitive to target stiffness and size, suggesting that the mechanical potentiation of killing is biophysically adaptive. We conclude that cellular cytotoxicity and, by implication, other effector responses are supported by specialized patterns of efferent force.

Cytotoxic T lymphocytes (CTLs) kill by forming immunological synapses with target cells and secreting toxic proteases and the pore forming protein perforin into the intercellular space. Immunological synapses are highly dynamic structures that potentiate perforin activity by applying mechanical force against the target cell. Here, we employed high-resolution imaging and microfabrication to investigate how CTLs exert synaptic forces and coordinate their mechanical output with perforin secretion. Using micropatterned stimulatory substrates that enable synapse growth in three dimensions, we found that perforin release occurs at the base of actin-rich protrusions that extend from central and intermediate locations within the synapse. These protrusions, which depended on the cytoskeletal regulator WASP and the Arp2/3 actin nucleation complex, were required for synaptic force exertion and efficient killing. They also mediated physical distortion of the target cell surface during CTL-target cell interactions. Our results reveal the mechanical basis of cellular cytotoxicity and highlight the functional importance of dynamic, three-dimensional architecture in immune cell-cell interfaces.

Immunological synapse formation between cytotoxic T lymphocytes (CTLs) and the target cells they aim to destroy is accompanied by reorientation of the CTL centrosome to a position beneath the synaptic membrane. Centrosome polarization is thought to enhance the potency and specificity of killing by driving lytic granule fusion at the synapse and thereby the release of perforin and granzymes toward the target cell. To test this model, we employed a genetic strategy to delete centrioles, the core structural components of the centrosome. Centriole deletion altered microtubule architecture, as expected, but surprisingly had no effect on lytic granule polarization and directional secretion. Nevertheless, CTLs lacking centrioles did display substantially reduced killing potential, which was associated with defects in both lytic granule biogenesis and synaptic actin remodeling. These results reveal an unexpected role for the intact centrosome in controlling the capacity, but not the specificity, of cytotoxic killing.

Immune cells live intensely physical lifestyles characterized by structural plasticity, mechanosensitivity, and force exertion. Whether specific immune functions require stereotyped patterns of mechanical output, however, is largely unknown. To address this question, we used super-resolution traction force microscopy to compare cytotoxic T cell immune synapses with contacts formed by other T cell subsets and macrophages. T cell synapses were globally and locally protrusive, which was fundamentally different from the coupled pinching and pulling of macrophage phagocytosis. By spectrally decomposing the force exertion patterns of each cell type, we associated cytotoxicity with compressive strength, local protrusiveness, and the induction of complex, asymmetric interfacial topographies. These features were further validated as cytotoxic drivers by genetic disruption of cytoskeletal regulators, direct imaging of synaptic secretory events, and in silico analysis of interfacial distortion. We conclude that T cell-mediated killing and, by implication, other effector responses are supported by specialized patterns of efferent force.