Cellular therapies could play a role in cancer treatment and regenerative medicine if it were possible to quickly eliminate the infused cells in case of adverse events. We devised an inducible T-cell safety switch that is based on the fusion of human caspase 9 to a modified human FK-binding protein, allowing conditional dimerization. When exposed to a synthetic dimerizing drug, the inducible caspase 9 (iCasp9) becomes activated and leads to the rapid death of cells expressing this construct.

Abstract The efficacy of adoptive T-cell therapy as treatment for malignancies may be enhanced by genetic modification of infused cells. However, oncogenic events due to vector/transgene integration, and toxicities due to the infused cells themselves, have tempered enthusiasm. A safe and efficient means of removing aberrant cells in vivo would ameliorate these concerns. We describe a “safety switch” that can be stably and efficiently expressed in human T cells without impairing phenotype, function, or antigen specificity. This reagent is based on a modified human caspase 9 fused to a human FK506 binding protein (FKBP) to allow conditional dimerization using a small molecule pharmaceutical. A single 10-nM dose of synthetic dimerizer drug induces apoptosis in 99% of transduced cells selected for high transgene expression in vitro and in vivo. This system has several advantages over currently available suicide genes. First, it consists of human gene products with low potential immunogenicity. Second, administration of dimerizer drug has no effects other than the selective elimination of transduced T cells. Third, inducible caspase 9 maintains function in T cells overexpressing antiapoptotic molecules. These characteristics favor incorporation of inducible caspase 9 as a safety feature in human T-cell therapies.

The transduction of primary T cells to express chimeric T cell receptors (cTCR) for redirected targeting of tumor cells is an attractive strategy for generating tumor-specific T cells for adoptive therapy. However, tumor cells rarely provide costimulatory signals and hence cTCRs that transmit just a CD3zeta signal can only initiate target cell killing and interferon-gamma release and fail to induce full activation. Although incorporation of a CD28 component results in IL-2 release and limited proliferation, T cell activation remains incomplete. OX40 transmits a potent and prolonged T cell activation signal and is crucial for maintaining an immunological response. We hypothesize that the CD28-OX40-CD3zeta tripartite cytoplasmic domain will provide a full complement of activation, proliferation, and survival signals for enhanced anti-tumor activity.

Epstein Barr virus (EBV)+ Hodgkin's disease (HD) expresses clearly identified tumor antigens derived from the virus and could, in principle, be a target for adoptive immunotherapy with viral antigen–specific T cells. However, like most tumor-associated antigens in immunocompetent hosts, these potential targets are only weakly immunogenic, consisting primarily of the latent membrane protein (LMP)1 and LMP2 antigens. Moreover, Hodgkin tumors possess a range of tumor evasion strategies. Therefore, the likely value of immunotherapy with EBV-specific cytotoxic effector cells has been questioned. We have now used a combination of gene marking, tetramer, and functional analyses to track the fate and assess the activity of EBV cytotoxic T lymphocyte (CTL) lines administered to 14 patients treated for relapsed EBV+ HD. Gene marking studies showed that infused effector cells could further expand by several logs in vivo, contribute to the memory pool (persisting up to 12 mo), and traffic to tumor sites. Tetramer and functional analyses showed that T cells reactive with the tumor-associated antigen LMP2 were present in the infused lines, expanded in peripheral blood after infusion, and also entered tumor. Viral load decreased, demonstrating the biologic activity of the infused CTLs. Clinically, EBV CTLs were well tolerated, could control type B symptoms (fever, night sweats, and weight loss), and had antitumor activity. After CTL infusion, five patients were in complete remission at up to 40 mo, two of whom had clearly measurable tumor at the time of treatment. One additional patient had a partial response, and five had stable disease. The performance and fate of these human tumor antigen–specific T cells in vivo suggests that they might be of value for the treatment of EBV+ Hodgkin lymphoma.

Abstract Conventional treatment for nasopharyngeal carcinoma (NPC) frequently fails and is accompanied by severe long-term side effects. Since virtually all undifferentiated NPCs are associated with Epstein-Barr virus (EBV), this tumor is an attractive candidate for cellular immunotherapy targeted against tumor-associated viral antigens. We now demonstrate that EBV-specific cytotoxic T-cell (CTL) lines can readily be generated from individuals with NPC, notwithstanding the patients' prior exposure to chemotherapy/radiation. A total of 10 patients diagnosed with advanced NPC were treated with autologous CTLs. All patients tolerated the CTLs, although one developed increased swelling at the site of pre-existing disease. At 19 to 27 months after infusion, 4 patients treated in remission from locally advanced disease remain disease free. Of 6 patients with refractory disease prior to treatment, 2 had complete responses, and remain in remission over 11 to 23 months after treatment; 1 had a partial remission that persisted for 12 months; 1 has had stable disease for more than 14 months; and 2 had no response. These results demonstrate that administration of EBV-specific CTLs to patients with advanced NPC is feasible, appears to be safe, and can be associated with significant antitumor activity.

Key Points Marker genes enable detection and selection of T cells, whereas suicide genes enable selective destruction of T cells in case of toxicity. RQR8 is a 136-amino-acid epitope-based marker/suicide gene that enables clinical selection, cell tracking, and deletion in case of toxicity.

Abstract Neuroblastoma is an embryonal childhood cancer that arises from aberrant development of the neural crest, mostly within the fetal adrenal medulla. It is not established what developmental processes neuroblastoma cancer cells represent. Here, we sought to reveal the phenotype of neuroblastoma cancer cells by comparing cancer (n=16,591) with fetal adrenal single cell transcriptomes (n=57,972). Our principal finding was that the neuroblastoma cancer cell resembled fetal sympathoblasts, but no other fetal adrenal cell type. The sympathoblastic state was a universal feature of neuroblastoma cells, transcending cell cluster diversity, individual patients and clinical phenotypes. We substantiated our findings in 652 neuroblastoma bulk transcriptomes and by integrating canonical features of the neuroblastoma genome with transcriptional signals. Overall, our observations indicate that there exists a pan-neuroblastoma cancer cell state which may be an attractive target for novel therapeutic avenues.

Abstract The cellular transcriptome may provide clues into the differentiation state and origin of human cancer, as tumor cells may retain patterns of gene expression similar to the cell they derive from. Here, we studied the differentiation state and cellular origin of human kidney tumors, by assessing mRNA signals in 1,300 childhood and adult renal tumors, spanning seven different tumor types. Using single cell mRNA reference maps of normal tissues generated by the Human Cell Atlas project, we measured the abundance of reference “cellular signals” in each tumor. Quantifying global differentiation states, we found that, irrespective of tumor type, childhood tumors exhibited fetal cellular signals, thus replacing the long-held presumption of “fetalness” with a precise, quantitative readout of immaturity. By contrast, in adult cancers our assessment refuted the suggestion of dedifferentiation towards a fetal state in the overwhelming majority of cases, with the exception of lethal variants of clear cell renal cell carcinoma. Examining the specific cellular phenotype of each tumor type revealed an intimate connection between the different mesenchymal populations of the developing kidney and childhood renal tumors, whereas adult tumors mostly represented specific mature tubular cell types. RNA signals of each tumor type were remarkably uniform and specific, indicating a possible therapeutic and diagnostic utility. We demonstrated this utility with a case study of a cryptic renal tumor. Whilst not classifiable by clinical pathological work-up, mRNA signals revealed the diagnosis. Our findings provide a cellular definition of human renal tumors through an approach that is broadly applicable to human cancer.

ABSTRACT Pediatric patients with high-risk neuroblastoma have poor survival rates and urgently need more effective treatment options with less side effects. As novel and improved immunotherapies may fill this need, we dissected the immunoregulatory interactions in neuroblastoma by single-cell RNA-sequencing of 25 tumors (10 pre- and 15 post-chemotherapy, including 5 pairs) to identify strategies for optimizing immunotherapy efficacy. Neuroblastomas were infiltrated by NK, T and B cells, and immunosuppressive myeloid populations. NK cells showed reduced cytotoxicity and T cells had a dysfunctional profile. Interaction analysis revealed a vast immunoregulatory network and identified NECTIN2-TIGIT as a crucial immune checkpoint. Combined blockade of TIGIT and PD-L1 significantly reduced neuroblastoma growth, with complete responses in vivo . Moreover, addition of TIGIT blockade to standard relapse treatment in a chemotherapy-resistant Th - ALK F1174L / MYCN 129/SvJ syngeneic model significantly improved survival. Concluding, our integrative analysis of neuroblastoma’s vast immunoregulatory network provides novel targets and a rationale for immunotherapeutic combination strategies.

Abstract Infant B-cell acute lymphoblastic leukemia (B-ALL) has not followed the increasing trend towards cure seen in other childhood B-ALLs. The prognosis for infants with KMT2A gene fusions is especially poor, and the origins of this aggressive leukemia remain unknown. Here, we investigated the developmental state of KMT2A -rearranged infant B-ALL within hematopoietic hierarchies of human fetal bone marrow, using bulk mRNA meta-analysis of childhood leukemia and examination of single lymphoblast transcriptomes. KMT2A -rearranged infant B-ALL was uniquely dominated by an early lymphocyte precursor (ELP) state. Direct comparison of infant lymphoblasts with ELP cells distilled the core oncogenic transcriptome of cancer cells which harboured potentially targetable hybrid myeloid-lymphoid features. Overall our quantitative molecular analyses demonstrate a distinct developmental state of KMT2A -rearranged infant B-ALL.