Tolerance to self-antigens prevents the elimination of cancer by the immune system1,2. We used synthetic chimeric antigen receptors (CARs) to overcome immunological tolerance and mediate tumor rejection in patients with chronic lymphocytic leukemia (CLL). Remission was induced in a subset of subjects, but most did not respond. Comprehensive assessment of patient-derived CAR T cells to identify mechanisms of therapeutic success and failure has not been explored. We performed genomic, phenotypic and functional evaluations to identify determinants of response. Transcriptomic profiling revealed that CAR T cells from complete-responding patients with CLL were enriched in memory-related genes, including IL-6/STAT3 signatures, whereas T cells from nonresponders upregulated programs involved in effector differentiation, glycolysis, exhaustion and apoptosis. Sustained remission was associated with an elevated frequency of CD27+CD45RO–CD8+ T cells before CAR T cell generation, and these lymphocytes possessed memory-like characteristics. Highly functional CAR T cells from patients produced STAT3-related cytokines, and serum IL-6 correlated with CAR T cell expansion. IL-6/STAT3 blockade diminished CAR T cell proliferation. Furthermore, a mechanistically relevant population of CD27+PD-1–CD8+ CAR T cells expressing high levels of the IL-6 receptor predicts therapeutic response and is responsible for tumor control. These findings uncover new features of CAR T cell biology and underscore the potential of using pretreatment biomarkers of response to advance immunotherapies. An IL-6/STAT3 signature and memory CD8 T cell subset in preinfusion chimeric antigen receptor–expressing T cells associate with response in patients with high-risk chronic lymphocytic leukemia.

CRISPR takes first steps in humans CRISPR-Cas9 is a revolutionary gene-editing technology that offers the potential to treat diseases such as cancer, but the effects of CRISPR in patients are currently unknown. Stadtmauer et al. report a phase 1 clinical trial to assess the safety and feasibility of CRISPR-Cas9 gene editing in three patients with advanced cancer (see the Perspective by Hamilton and Doudna). They removed immune cells called T lymphocytes from patients and used CRISPR-Cas9 to disrupt three genes ( TRAC, TRBC , and PDCD1 ) with the goal of improving antitumor immunity. A cancer-targeting transgene, NY-ESO-1, was also introduced to recognize tumors. The engineered cells were administered to patients and were well tolerated, with durable engraftment observed for the study duration. These encouraging observations pave the way for future trials to study CRISPR-engineered cancer immunotherapies. Science , this issue p. eaba7365 ; see also p. 976

Cancer immunotherapy based on genetically redirecting T cells has been used successfully to treat B cell malignancies1–3. In this strategy, the T cell genome is modified by integration of viral vectors or transposons encoding chimaeric antigen receptors (CARs) that direct tumour cell killing. However, this approach is often limited by the extent of expansion and persistence of CAR T cells4,5. Here we report mechanistic insights from studies of a patient with chronic lymphocytic leukaemia treated with CAR T cells targeting the CD19 protein. Following infusion of CAR T cells, anti-tumour activity was evident in the peripheral blood, lymph nodes and bone marrow; this activity was accompanied by complete remission. Unexpectedly, at the peak of the response, 94% of CAR T cells originated from a single clone in which lentiviral vector-mediated insertion of the CAR transgene disrupted the methylcytosine dioxygenase TET2 gene. Further analysis revealed a hypomorphic mutation in this patient’s second TET2 allele. TET2-disrupted CAR T cells exhibited an epigenetic profile consistent with altered T cell differentiation and, at the peak of expansion, displayed a central memory phenotype. Experimental knockdown of TET2 recapitulated the potency-enhancing effect of TET2 dysfunction in this patient’s CAR T cells. These findings suggest that the progeny of a single CAR T cell induced leukaemia remission and that TET2 modification may be useful for improving immunotherapies. Genetically engineered T cells that induced remission in a patient with chronic lymphocytic leukaemia were found to have disruption of the TET2 gene, which caused T cell changes that potentiated their anti-tumour effects.

While cellular responses to low oxygen (O2) or hypoxia have been studied extensively, the precise identity of mammalian cellular O2 sensors remains controversial. Using murine embryonic cells lacking cytochrome c, and therefore mitochondrial activity, we show that mitochondrial reactive oxygen species (mtROS) are essential for proper O2 sensing and subsequent HIF-1α and HIF-2α stabilization at 1.5% O2. In the absence of this signal, HIF-α subunits continue to be degraded. Furthermore, exogenous treatment with H2O2 or severe O2 deprivation is sufficient to stabilize HIF-α even in the absence of cytochrome c and functional mitochondria. These results provide genetic evidence indicating that mtROS act upstream of prolyl hydroxylases in regulating HIF-1α and HIF-2α in this O2-sensing pathway.

BACKGROUND. CAR T cells are a promising therapy for hematologic malignancies. B cell maturation antigen (BCMA) is a rational target in multiple myeloma (MM).

The adoptive transfer of T lymphocytes reprogrammed to target tumour cells has demonstrated potential for treatment of various cancers1-7. However, little is known about the long-term potential and clonal stability of the infused cells. Here we studied long-lasting CD19-redirected chimeric antigen receptor (CAR) T cells in two patients with chronic lymphocytic leukaemia1-4 who achieved a complete remission in 2010. CAR T cells remained detectable more than ten years after infusion, with sustained remission in both patients. Notably, a highly activated CD4+ population emerged in both patients, dominating the CAR T cell population at the later time points. This transition was reflected in the stabilization of the clonal make-up of CAR T cells with a repertoire dominated by a small number of clones. Single-cell profiling demonstrated that these long-persisting CD4+ CAR T cells exhibited cytotoxic characteristics along with ongoing functional activation and proliferation. In addition, longitudinal profiling revealed a population of gamma delta CAR T cells that prominently expanded in one patient concomitant with CD8+ CAR T cells during the initial response phase. Our identification and characterization of these unexpected CAR T cell populations provide novel insight into the CAR T cell characteristics associated with anti-cancer response and long-term remission in leukaemia.

Genetically modified T cells expressing chimeric antigen receptors (CARs) demonstrate robust responses against lineage restricted, non-essential targets in hematologic cancers. However, in solid tumors, the full potential of CAR T cell therapy is limited by the availability of cell surface antigens with sufficient cancer-specific expression. The majority of CAR targets have been normal self-antigens on dispensable hematopoietic tissues or overexpressed shared antigens. Here, we established that abnormal self-antigens can serve as targets for tumor rejection. We developed a CAR that recognized cancer-associated Tn glycoform of MUC1, a neoantigen expressed in a variety of cancers. Anti-Tn-MUC1 CAR T cells demonstrated target-specific cytotoxicity and successfully controlled tumor growth in xenograft models of T cell leukemia and pancreatic cancer. These findings demonstrate the therapeutic efficacy of CAR T cells directed against Tn-MUC1 and present aberrantly glycosylated antigens as a novel class of targets for tumor therapy with engineered T cells.

We report a patient relapsing 9 months after CD19-targeted CAR T cell (CTL019) infusion with CD19– leukemia that aberrantly expressed the anti-CD19 CAR. The CAR gene was unintentionally introduced into a single leukemic B cell during T cell manufacturing, and its product bound in cis to the CD19 epitope on the surface of leukemic cells, masking it from recognition by and conferring resistance to CTL019. A CAR gene unintentionally introduced in a contaminating leukemia cell during the manufacturing of CAR T cells caused a patient to relapse after therapy.

Target-mediated toxicity is a major limitation in the development of chimeric antigen T-cell receptors (CAR) for adoptive cell therapy of solid tumors. In this study, we developed a strategy to adjust the affinities of the scFv component of CAR to discriminate tumors overexpressing the target from normal tissues that express it at physiologic levels. A CAR-expressing T-cell panel was generated with target antigen affinities varying over three orders of magnitude. High-affinity cells recognized target expressed at any level, including at levels in normal cells that were undetectable by flow cytometry. Affinity-tuned cells exhibited robust antitumor efficacy similar to high-affinity cells, but spared normal cells expressing physiologic target levels. The use of affinity-tuned scFvs offers a strategy to empower wider use of CAR T cells against validated targets widely overexpressed on solid tumors, including those considered undruggable by this approach.

Successful tumor eradication by chimeric antigen receptor–expressing (CAR-expressing) T lymphocytes depends on CAR T cell persistence and effector function. We hypothesized that CD4+ and CD8+ T cells may exhibit distinct persistence and effector phenotypes, depending on the identity of specific intracellular signaling domains (ICDs) used to generate the CAR. First, we demonstrate that the ICOS ICD dramatically enhanced the in vivo persistence of CAR-expressing CD4+ T cells that, in turn, increased the persistence of CD8+ T cells expressing either CD28- or 4-1BB–based CARs. These data indicate that persistence of CD8+ T cells was highly dependent on a helper effect provided by the ICD used to redirect CD4+ T cells. Second, we discovered that combining ICOS and 4-1BB ICDs in a third-generation CAR displayed superior antitumor effects and increased persistence in vivo. Interestingly, we found that the membrane-proximal ICD displayed a dominant effect over the distal domain in third-generation CARs. The optimal antitumor and persistence benefits observed in third-generation ICOSBBz CAR T cells required the ICOS ICD to be positioned proximal to the cell membrane and linked to the ICOS transmembrane domain. Thus, CARs with ICOS and 4-1BB ICD demonstrate increased efficacy in solid tumor models over our current 4-1BB–based CAR and are promising therapeutics for clinical testing.