The cloning of the genes encoding cancer antigens has opened new possibilities for the treatment of patients with cancer. In this study, immunodominant peptides from the gp100 melanoma-associated antigen were identified, and a synthetic peptide, designed to increase binding to HLA-A2 molecules, was used as a cancer vaccine to treat patients with metastatic melanoma. On the basis of immunologic assays, 91% of patients could be successfully immunized with this synthetic peptide, and 13 of 31 patients (42%) receiving the peptide vaccine plus IL-2 had objective cancer responses, and four additional patients had mixed or minor responses. Synthetic peptide vaccines based on the genes encoding cancer antigens hold promise for the development of novel cancer immunotherapies.

T Cells for Epithelial Tumors Malignant tumors harbor genetic alterations. Recently, adoptive T cell therapies have taken advantage of this: T cells specific for mutations in tumors are infused into patients to generate an antitumor immune response. Although therapeutic benefit has been seen for melanomas, effectiveness against more common epithelial tumors is unclear. Using whole-exome sequencing, Tran et al. (p. 641 ) identified tumor-infiltrating CD4+ T cells specific for a mutated antigen expressed by a tumor from a patient with metastatic cholangiocarcinoma. Infusion of this patient with an expanded-population, mutation-specific T cell resulted in tumor regression and stabilization of disease.

Autologous T lymphocytes genetically engineered to express a murine T cell receptor (TCR) against human carcinoembryonic antigen (CEA) were administered to three patients with metastatic colorectal cancer refractory to standard treatments. All patients experienced profound decreases in serum CEA levels (74–99%), and one patient had an objective regression of cancer metastatic to the lung and liver. However, a severe transient inflammatory colitis that represented a dose limiting toxicity was induced in all three patients. This report represents the first example of objective regression of metastatic colorectal cancer mediated by adoptive T cell transfer and illustrates the successful use of a TCR, raised in human leukocyte antigen (HLA) transgenic mice, against a human tumor associated antigen. It also emphasizes the destructive power of small numbers of highly avid T cells and the limitations of using CEA as a target for cancer immunotherapy.

Steven Rosenberg and colleagues report that PD-1 is a biomarker of CD8+ T cells in the blood that recognize mutated neoantigens in melanoma. Detection of lymphocytes that target tumor-specific mutant neoantigens—derived from products encoded by mutated genes in the tumor—is mostly limited to tumor-resident lymphocytes1,2, but whether these lymphocytes often occur in the circulation is unclear. We recently reported that intratumoral expression of the programmed cell death 1 (PD-1) receptor can guide the identification of the patient-specific repertoire of tumor-reactive CD8+ lymphocytes that reside in the tumor3. In view of these findings, we investigated whether PD-1 expression on peripheral blood lymphocytes could be used as a biomarker to detect T cells that target neoantigens. By using a high-throughput personalized screening approach, we identified neoantigen-specific lymphocytes in the peripheral blood of three of four melanoma patients. Despite their low frequency in the circulation, we found that CD8+PD-1+, but not CD8+PD-1−, cell populations had lymphocytes that targeted 3, 3 and 1 unique, patient-specific neoantigens, respectively. We show that neoantigen-specific T cells and gene-engineered lymphocytes expressing neoantigen-specific T cell receptors (TCRs) isolated from peripheral blood recognized autologous tumors. Notably, the tumor-antigen specificities and TCR repertoires of the circulating and tumor-infiltrating CD8+PD-1+ cells appeared similar, implying that the circulating CD8+PD-1+ lymphocytes could provide a window into the tumor-resident antitumor lymphocytes. Thus, expression of PD-1 identifies a diverse and patient-specific antitumor T cell response in peripheral blood, providing a novel noninvasive strategy to develop personalized therapies using neoantigen-reactive lymphocytes or TCRs to treat cancer.

Recognition of the melanoma Ag gp100 by tumor-infiltrating lymphocytes (TIL) in vitro has been correlated with tumor regression in patients with metastatic melanoma treated with the adoptive transfer of TIL plus IL-2. Three common gp100 epitopes have been identified that are recognized in the context of HLA-A2 by TIL from different patients: G9154 (KTWGQYWQV), G9209 (ITDQVPFSV), and G9280 (YLEPGPVTA). Upon stimulation with these peptides, melanoma-reactive CTL could be induced in vitro from PBL of some HLA-A2+ melanoma patients. However, numerous restimulations were required, and specific reactivity could not be generated in many patients. Therefore, to enhance the immunogenicity of gp100 peptides, amino acid substitutions were introduced into G9154, G9209, and G9280 at HLA-A*0201-binding anchor positions, but not at TCR contact residues, to increase peptide class I MHC-binding affinity. Several modified gp100 peptides bound with greater affinity to HLA-A*0201 than unmodified peptides and were recognized by TIL specific for the natural epitopes. These peptides were used to sensitize PBL from HLA-A2+ melanoma patients in vitro using peptide-pulsed autologous PBMC as stimulators. After five weekly restimulations with either the native G9209 or G9280 peptide, melanoma-reactive CTL could only be induced from two of seven patients. However, amino acid substitutions in these peptides enabled the induction of melanoma-reactive CTL from all seven patients. These results suggest that modified gp100 peptides may be more immunogenic than the native epitopes, and may be useful in immunotherapy protocols for patients with melanoma.

Many tumor-associated antigens are nonmutated, poorly immunogenic tissue differentiation antigens. Their weak immunogenicity may be due to "self"-tolerance. To induce autoreactive T cells, we studied immune responses to gp100/pmel 17, an antigen naturally expressed by both normal melanocytes and melanoma cells. Although a recombinant vaccinia virus (rVV) encoding the mouse homologue of gp100 was nonimmunogenic, immunization of normal C57BL/6 mice with the rVV encoding the human gp100 elicited a specific CD8(+) T cell response. These lymphocytes were cross-reactive with mgp100 in vitro and treated established B16 melanoma upon adoptive transfer. To understand the mechanism of the greater immunogenicity of the human version of gp100, we characterized a 9-amino acid (AA) epitope, restricted by H-2Db, that was recognized by the T cells. The ability to induce specific T cells with human but not mouse gp100 resulted from differences within the major histocompatibility complex (MHC) class I-restricted epitope and not from differences elsewhere in the molecule, as was evidenced by experiments in which mice were immunized with rVV containing minigenes encoding these epitopes. Although the human (hgp10025-33) and mouse (mgp10025-33) epitopes were homologous, differences in the three NH2-terminal AAs resulted in a 2-log increase in the ability of the human peptide to stabilize "empty" Db on RMA-S cells and a 3-log increase in its ability to trigger interferon gamma release by T cells. Thus, the fortuitous existence of a peptide homologue with significantly greater avidity for MHC class I resulted in the generation of self-reactive T cells. High-affinity, altered peptide ligands might be useful in the rational design of recombinant and synthetic vaccines that target tissue differentiation antigens expressed by tumors.

Abstract Purpose: Adoptive transfer of tumor-infiltrating lymphocytes (TIL) can mediate regression of metastatic melanoma. However, many patients with cancer are ineligible for such treatment because their TIL do not expand sufficiently or because their tumors have lost expression of antigens and/or MHC molecules. Natural killer (NK) cells are large granular lymphocytes that lyse tumor cells in a non–MHC-restricted manner. Therefore, we initiated in a clinical trial to evaluate the efficacy of adoptively transferred autologous NK cells to treat patients with cancers who were ineligible for treatment with TIL. Experimental Design: Patients with metastatic melanoma or renal cell carcinoma were treated with adoptively transferred in vitro activated autologous NK cells after the patients received a lymphodepleting but nonmyeloablative chemotherapy regimen. Clinical responses and persistence of the adoptively transferred cells were evaluated. Results: Eight patients were treated with an average of 4.7 × 1010 (± 2.1 × 1010) NK cells. The infused cells exhibited high levels of lytic activity in vitro. Although no clinical responses were observed, the adoptively transferred NK cells seemed to persist in the peripheral circulation of patients for at least one week posttransfer and, in some patients, for several months. However, the persistent NK cells in the circulation expressed significantly lower levels of the key activating receptor NKG2D and could not lyse tumor cell targets in vitro unless reactivated with IL-2. Conclusions: The persistent NK cells could mediate antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity without cytokine reactivation in vitro, which suggests that coupling adoptive NK cell transfer with monoclonal antibody administration deserves evaluation. Clin Cancer Res; 17(19); 6287–97. ©2011 AACR.

Adoptive T cell therapy (ACT) using ex vivo-expanded autologous tumor-infiltrating lymphocytes (TILs) can mediate complete regression of certain human cancers. The impact of TIL phenotypes on clinical success of TIL-ACT is currently unclear. Using high-dimensional analysis of human ACT products, we identified a memory-progenitor CD39-negative stem-like phenotype (CD39

Adoptively transferred tumor-infiltrating T lymphocytes (TILs) that mediate complete regression of metastatic melanoma have been shown to recognize mutated epitopes expressed by autologous tumors. Here, in an attempt to develop a strategy for facilitating the isolation, expansion, and study of mutated antigen-specific T cells, we performed whole-exome sequencing on matched tumor and normal DNA isolated from 8 patients with metastatic melanoma. Candidate mutated epitopes were identified using a peptide-MHC-binding algorithm, and these epitopes were synthesized and used to generate panels of MHC tetramers that were evaluated for binding to tumor digests and cultured TILs used for the treatment of patients. This strategy resulted in the identification of 9 mutated epitopes from 5 of the 8 patients tested. Cells reactive with 8 of the 9 epitopes could be isolated from autologous peripheral blood, where they were detected at frequencies that were estimated to range between 0.4% and 0.002%. To the best of our knowledge, this represents the first demonstration of the successful isolation of mutation-reactive T cells from patients' peripheral blood prior to immune therapy, potentially providing the basis for designing personalized immunotherapies to treat patients with advanced cancer.

BACKGROUND. Therapeutic vaccinations against cancer have mainly targeted differentiation antigens, cancer-testis antigens, and overexpressed antigens and have thus far resulted in little clinical benefit. Studies conducted by multiple groups have demonstrated that T cells recognizing neoantigens are present in most cancers and offer a specific and highly immunogenic target for personalized vaccination.