Abstract The CD19 antigen, expressed on most B-cell acute lymphoblastic leukemias (B-ALL), can be targeted with chimeric antigen receptor–armed T cells (CART-19), but relapses with epitope loss occur in 10% to 20% of pediatric responders. We detected hemizygous deletions spanning the CD19 locus and de novo frameshift and missense mutations in exon 2 of CD19 in some relapse samples. However, we also discovered alternatively spliced CD19 mRNA species, including one lacking exon 2. Pull-down/siRNA experiments identified SRSF3 as a splicing factor involved in exon 2 retention, and its levels were lower in relapsed B-ALL. Using genome editing, we demonstrated that exon 2 skipping bypasses exon 2 mutations in B-ALL cells and allows expression of the N-terminally truncated CD19 variant, which fails to trigger killing by CART-19 but partly rescues defects associated with CD19 loss. Thus, this mechanism of resistance is based on a combination of deleterious mutations and ensuing selection for alternatively spliced RNA isoforms. Significance: CART-19 yield 70% response rates in patients with B-ALL, but also produce escape variants. We discovered that the underlying mechanism is the selection for preexisting alternatively spliced CD19 isoforms with the compromised CART-19 epitope. This mechanism suggests a possibility of targeting alternative CD19 ectodomains, which could improve survival of patients with B-cell neoplasms. Cancer Discov; 5(12); 1282–95. ©2015 AACR. See related commentary by Jackson and Brentjens, p. 1238. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1225

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.

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.

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 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

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.

Introductory paragraph While CAR T cells have altered the treatment landscape for B cell malignancies, the risk of on-target, off-tumor toxicity has hampered their development for solid tumors because most target antigens are shared with normal cells 1,2 . Researchers have attempted to apply Boolean logic gating to CAR T cells to prevent on-target, off-tumor toxicity 3–7 ; however, a truly safe and effective logic-gated CAR has remained elusive 8 . Here, we describe a novel approach to CAR engineering in which we replace traditional ITAM-containing CD3ζ domains with intracellular proximal T cell signaling molecules. We demonstrate that certain proximal signaling CARs, such as a ZAP-70 CAR, can activate T cells and eradicate tumors in vivo while bypassing upstream signaling proteins such as CD3ζ. The primary role of ZAP-70 is to phosphorylate LAT and SLP-76, which form a scaffold for the propagation of T cell signaling. We leveraged the cooperative role of LAT and SLP-76 to engineer L ogic-gated I ntracellular N etwor K (LINK) CAR, a rapid and reversible Boolean-logic AND-gated CAR T cell platform that outperforms other systems in both efficacy and the prevention of on-target, off-tumor toxicity. LINK CAR will dramatically expand the number and types of molecules that can be targeted with CAR T cells, enabling the deployment of these powerful therapeutics for solid tumors and diverse diseases such as autoimmunity 9 and fibrosis 10 . In addition, this work demonstrates that the internal signaling machinery of cells can be repurposed into surface receptors, a finding that could have broad implications for new avenues of cellular engineering.

The disialoganglioside GD2 is consistently overexpressed in neuroblastoma and osteosarcoma, and is variably expressed in other sarcomas, gliomas, neuroendocrine tumors, and epithelial cancers. Anti-GD2 antibodies have improved the survival rates of patients with neuroblastoma only when administered as part of intense chemotherapy-based cytotoxic regimens, which are associated with debilitating late effects including hearing loss, growth retardation, and secondary leukemias. Despite broad expression of GD2 on osteosarcoma, anti-GD2 antibody has not mediated significant antitumor activity in that disease or any other GD2+ cancers. CD47 is a checkpoint molecule overexpressed on tumor cells that inhibits macrophage activity, and CD47 blockade has demonstrated promising clinical activity in early human trials. We investigated whether anti-CD47 antibody could enhance the efficacy of anti-GD2 antibody in neuroblastoma and other GD2+ malignancies. We demonstrate substantial synergy of these two agents, resulting in the recruitment of tumor associated macrophages (TAMs) to mediate robust and durable anti-tumor responses. The responses are driven by GD2-specific factors that reorient the balance of macrophage activity towards phagocytosis of tumor cells, including disruption of a newly described GD2:Siglec-7 axis. These results demonstrate the unique synergy of combining anti-GD2 with anti-CD47, which has the potential to significantly enhance outcomes for children with neuroblastoma and osteosarcoma and will soon be investigated in a first-in-human clinical trial.

Adenosine (Ado) mediates immune suppression in the tumor microenvironment and exhausted CD8