Abstract Purpose: A first-in-human pilot safety and feasibility trial evaluating chimeric antigen receptor (CAR)–engineered, autologous primary human CD8+ cytotoxic T lymphocytes (CTL) targeting IL13Rα2 for the treatment of recurrent glioblastoma (GBM). Experimental Design: Three patients with recurrent GBM were treated with IL13(E13Y)-zetakine CD8+ CTL targeting IL13Rα2. Patients received up to 12 local infusions at a maximum dose of 108 CAR-engineered T cells via a catheter/reservoir system. Results: We demonstrate the feasibility of manufacturing sufficient numbers of autologous CTL clones expressing an IL13(E13Y)-zetakine CAR for redirected HLA-independent IL13Rα2-specific effector function for a cohort of patients diagnosed with GBM. Intracranial delivery of the IL13-zetakine+ CTL clones into the resection cavity of 3 patients with recurrent disease was well-tolerated, with manageable temporary brain inflammation. Following infusion of IL13-zetakine+ CTLs, evidence for transient anti-glioma responses was observed in 2 of the patients. Analysis of tumor tissue from 1 patient before and after T-cell therapy suggested reduced overall IL13Rα2 expression within the tumor following treatment. MRI analysis of another patient indicated an increase in tumor necrotic volume at the site of IL13-zetakine+ T-cell administration. Conclusions: These findings provide promising first-in-human clinical experience for intracranial administration of IL13Rα2-specific CAR T cells for the treatment of GBM, establishing a foundation on which future refinements of adoptive CAR T-cell therapies can be applied. Clin Cancer Res; 21(18); 4062–72. ©2015 AACR.

Abstract The interleukin (IL) 13 receptor α2 (IL13Rα2) is a glioma-restricted cell-surface epitope not otherwise detected within the central nervous system. Here, we describe a novel approach for targeting glioblastoma multiforme (GBM) with IL13Rα2-specific cytolytic T cells (CTLs) by their genetic modification to express a membrane-tethered IL13 cytokine chimeric T-cell antigen receptor, or zetakine. Our prototype zetakine incorporates an IL13 E13Y mutein for selective binding to IL13Rα2. Human IL13-zetakine+CD8+ CTL transfectants display IL13Rα2-specific antitumor effector function including tumor cell cytolysis, TC1 cytokine production, and zetakine-regulated autocrine proliferation. The E13Y amino acid substitution of the IL13 mutein of the zetakine endows CTL transfectants with the capacity to discriminate between IL13Rα2+ GBM targets from targets expressing IL13Rα1. In vivo, the adoptive transfer of IL13-zetakine+CD8+ CTL clones results in the regression of established human glioblastoma orthotopic xenografts. Pilot clinical trials have been initiated to evaluate the feasibility and safety of local-regional delivery of autologous IL13-zetakine redirected CTL clones in patients with recurrent GBM. Our IL13-zetakine is a prototype of a new class of chimeric immunoreceptors that signal through an engineered immune synapse composed of membrane-tethered cytokine muteins bound to cell-surface cytokine receptors on tumors.

Key Points CD123 CAR T cells specifically target CD123+ AML cells. AML patient-derived T cells can be genetically modified to lyse autologous tumor cells.

Abstract CAR T cell therapy has transformed clinical care and management of patients with certain hematological cancers. However, it remains unclear whether the success of CAR T cell therapy relies solely on CAR T cell engagement with tumor antigen, or if it also requires the stimulation of an individual patient’s endogenous T cell response. Here, we performed combined analysis of longitudinal, single cell RNA and T cell receptor sequencing on glioblastoma tumors, peripheral blood (PB), and cerebrospinal fluid (CSF) from a patient with recurrent multifocal glioblastoma that underwent a remarkable response followed by recurrence on IL13RA2-targeted CAR T cell therapy (Brown et al. 2016). Single cell analysis of a tumor resected prior to CAR T cell therapy revealed the existence of an inflamed tumor microenvironment including a CD8+ cytotoxic, clonally expanded and antigen specific T cell population that disappeared in the recurrent setting. Longitudinal tracking of T cell receptors uncovered distinct T cell dynamics classes in the CSF during CAR T cell therapy. These included T cell clones with transient dynamics, representing intraventricular CAR T cell delivery and endogenous T cell recruitment from the PB into the CSF; and a group of T cells in the cerebrospinal fluid, that tracked with clonally expanded tumor resident T cells and whose dynamics contracted concomitantly with tumor volume. Our results suggest the existence of an endogenous T cell population that was invigorated by intraventricular CAR T cell infusions, and combined with the therapy to produce a complete response.

ABSTRACT Intra-tumoral heterogeneity and diffuse infiltration are hallmarks of glioblastoma that challenge treatment efficacy. However, the mechanisms that set up both tumor heterogeneity and invasion remain poorly understood. Herein, we present a comprehensive spatiotemporal study that aligns distinctive intra-tumoral histopathological structures, oncostreams, with dynamic properties and a unique, actionable, spatial transcriptomic signature. Oncostreams are dynamic multicellular fascicles of spindle-like and aligned cells with mesenchymal properties, detected using ex vivo explants and in vivo intravital imaging. Their density correlates with tumor aggressiveness in genetically engineered mouse glioma models, and high-grade human gliomas. Oncostreams facilitate the intra-tumoral distribution of tumoral and non-tumoral cells, and the invasion of the normal brain. These fascicles are defined by a specific molecular signature that regulates their organization and function. Oncostreams structure and function depend on overexpression of COL1A1. COL1A1 is a central gene in the dynamic organization of glioma mesenchymal transformation, and a powerful regulator of glioma malignant behavior. Inhibition of COL1A1 eliminated oncostreams, reprogramed the malignant histopathological phenotype, reduced expression of the mesenchymal associated genes, induced changes in the tumor microenvironment and prolonged animal survival. Oncostreams represent a novel pathological marker of potential value for diagnosis, prognosis, and treatment.

Abstract Chimeric antigen receptor (CAR) T-cell therapy has shown promise in the treatment of hematological cancers and is currently being investigated for solid tumors including high-grade glioma brain tumors. There is a desperate need to quantitatively study the factors that contribute to the efficacy of CAR T-cell therapy in solid tumors. In this work we use a mathematical model of predator-prey dynamics to explore the kinetics of CAR T-cell killing in glioma: the Chimeric Antigen Receptor t-cell treatment Response in GliOma (CARRGO) model. The model includes rates of cancer cell proliferation, CAR T-cell killing, CAR T-cell proliferation and exhaustion, and CAR T-cell persistence. We use patient-derived and engineered cancer cell lines with an in vitro real-time cell analyzer to parameterize the CARRGO model. We observe that CAR T-cell dose correlates inversely with the killing rate and correlates directly with the net rate of proliferation and exhaustion. This suggests that at a lower dose of CAR T-cells, individual T-cells kill more cancer cells but become more exhausted as compared to higher doses. Furthermore, the exhaustion rate was observed to increase significantly with tumor growth rate and was dependent on level of antigen expression. The CARRGO model highlights nonlinear dynamics involved in CAR T-cell therapy and provides novel insights into the kinetics of CAR T-cell killing. The model suggests that CAR T-cell treatment may be tailored to individual tumor characteristics including tumor growth rate and antigen level to maximize therapeutic benefit. Statement of Significance We utilize a mathematical model to deconvolute the nonlinear contributions of CAR T-cell proliferation and exhaustion to predict therapeutic efficacy and dependence on CAR T-cell dose and target antigen levels.

ABSTRACT Chimeric antigen receptor (CAR) T cell immunotherapy is emerging as a powerful strategy for cancer therapy; however, an important safety consideration is the potential for off-tumor recognition of normal tissue. This is particularly important as ligand-based CARs are optimized for clinical translation. Our group has developed and clinically translated an IL13(E12Y) ligand- based CAR targeting the cancer antigen IL13Rα2 for treatment of glioblastoma (GBM). There remains limited understanding of how IL13-ligand CAR design impacts the activity and selectivity for the intended tumor-associated target IL13Rα2 versus the more ubiquitous unintended target IL13Rα1. In this study, we functionally compared IL13(E12Y)-CARs incorporating different intracellular signaling domains, including first-generation CD3ζ- containing CARs (IL13ζ), second-generation 4-1BB- (CD137) or CD28-containing CARs (IL13- BBζ or IL13-28ζ), and third-generation CARs containing both 4-1BB and CD28 (IL13-28BBζ). In vitro co-culture assays at high tumor burden establish that 2 nd generation IL13-BBζ or IL13- 28ζ outperform first-generation IL13ζ and 3 rd generation IL13-28BBζ CAR designs, with IL13- BBζ providing superior CAR proliferation and in vivo anti-tumor potency in human xenograft mouse models. IL13-28ζ displayed a lower threshold for antigen recognition, resulting in higher off-target IL13Rα1 reactivity both in vitro and in vivo . Syngeneic mouse models of GBM also demonstrate safety and anti-tumor potency of murine IL13-BBζ CAR T cells delivered systemically after lymphodepletion. These findings support the use of IL13-BBζ CARs for greater selective recognition of IL13Rα2 over IL13Rα1, higher proliferative potential, and superior anti-tumor responsiveness. This study exemplifies the potential of modulating factors outside the antigen targeting domain of a CAR to improve selective tumor recognition..

Abstract Background Chimeric antigen receptor (CAR)-T cell therapies targeting glioblastoma (GBM)-associated antigens such as interleukin-13 receptor subunit alpha-2 (IL-13Rα2) have achieved limited clinical efficacy to date, in part due to an immunosuppressive tumor microenvironment (TME) characterized by inhibitory molecules such as transforming growth factor-beta (TGF-β). The aim of this study was to engineer more potent GBM-targeting CAR-T cells by countering TGF-β-mediated immune suppression in the TME. Methods We engineered a single-chain, bispecific CAR targeting IL-13Rα2 and TGF-β, which programs tumor-specific T cells to convert TGF-β from an immunosuppressant to an immunostimulant. Bispecific IL-13Rα2/TGF-β CAR-T cells were evaluated for efficacy and safety against both patient-derived GBM xenografts and syngeneic models of murine glioma. Results Treatment with IL-13Rα2/TGF-β CAR-T cells leads to greater T-cell infiltration and reduced suppressive myeloid cell presence in the tumor-bearing brain compared to treatment with conventional IL-13Rα2 CAR-T cells, resulting in improved survival in both patient-derived GBM xenografts and syngeneic models of murine glioma. Conclusions Our findings demonstrate that by reprogramming tumor-specific T-cell responses to TGF-β, bispecific IL-13Rα2/TGF-β CAR-T cells resist and remodel the immunosuppressive TME to drive potent anti-tumor responses in GBM.

ABSTRACT In the development of cell-based cancer therapies, quantitative mathematical models of cellular interactions are instrumental in understanding treatment efficacy. Efforts to validate and interpret mathematical models of cancer cell growth and death hinge first on proposing a precise mathematical model, then analyzing experimental data in the context of the chosen model. In this work, we present the first application of the sparse identification of non-linear dynamics (SINDy) algorithm to a real biological system in order discover cell-cell interaction dynamics in in vitro experimental data, using chimeric antigen receptor (CAR) T-cells and patient-derived glioblastoma cells. By combining the techniques of latent variable analysis and SINDy, we infer key aspects of the interaction dynamics of CAR T-cell populations and cancer. Importantly, we show how the model terms can be interpreted biologically in relation to different CAR T-cell functional responses, single or double CAR T-cell-cancer cell binding models, and density-dependent growth dynamics in either of the CAR T-cell or cancer cell populations. We show how this data-driven model-discovery based approach provides unique insight into CAR T-cell dynamics when compared to an established model-first approach. These results demonstrate the potential for SINDy to improve the implementation and efficacy of CAR T-cell therapy in the clinic through an improved understanding of CAR T-cell dynamics.

Chimeric antigen receptor (CAR)-T cell therapy has shown remarkable clinical efficacy against B-cell malignancies but also demonstrated marked vulnerability to antigen escape and tumor relapse. Here, we report the rational design and systematic optimization of bispecific CAR-T cells with robust activity against multiple myeloma (MM), including heterogeneous MM that is resistant to conventional CAR-T cell therapy targeting B-cell maturation antigen (BCMA). We demonstrate that BCMA/CS1 bispecific CAR-T cells exhibit significantly higher CAR expression levels and greater antigen-stimulated proliferation compared to T cells that co-express individual BCMA and CS1 CARs. Compared to single-input BCMA- or CS1-targeting CAR-T cells, BCMA/CS1 bispecific CAR-T cells significantly prolong the survival of animals bearing heterogeneous MM tumors. Combination therapy with anti-PD-1 antibody further accelerates the rate of initial tumor clearance in vivo, but CAR-T cell treatment alone was able to achieve durable tumor-free survival even upon tumor re-challenge. Taken together, the BCMA/CS1 bispecific CAR presents a promising treatment approach to prevent antigen escape in CAR-T cell therapy against MM, and the vertically integrated optimization process can be used to develop robust cell-based therapy against novel disease targets.