CTLA-4 and PD-1 are receptors that negatively regulate T-cell activation. Ligation of both CTLA-4 and PD-1 blocked CD3/CD28-mediated upregulation of glucose metabolism and Akt activity, but each accomplished this regulation using separate mechanisms. CTLA-4-mediated inhibition of Akt phosphorylation is sensitive to okadaic acid, providing direct evidence that PP2A plays a prominent role in mediating CTLA-4 suppression of T-cell activation. In contrast, PD-1 signaling inhibits Akt phosphorylation by preventing CD28-mediated activation of phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K). The ability of PD-1 to suppress PI3K/AKT activation was dependent upon the immunoreceptor tyrosine-based switch motif located in its cytoplasmic tail, adding further importance to this domain in mediating PD-1 signal transduction. Lastly, PD-1 ligation is more effective in suppressing CD3/CD28-induced changes in the T-cell transcriptional profile, suggesting that differential regulation of PI3K activation by PD-1 and CTLA-4 ligation results in distinct cellular phenotypes. Together, these data suggest that CTLA-4 and PD-1 inhibit T-cell activation through distinct and potentially synergistic mechanisms.

Lymphocyte activation initiates a program of cell growth, proliferation, and differentiation that increases metabolic demand. Although T cells increase glucose uptake and glycolysis during an immune response, the signaling pathways that regulate these increases remain largely unknown. Here we show that CD28 costimulation, acting through phosphatidylinositol 3'-kinase (PI3K) and Akt, is required for T cells to increase their glycolytic rate in response to activation. Furthermore, CD28 controls a primary response pathway, inducing a level of glucose uptake and glycolysis in excess of that needed to maintain cellular ATP/ADP levels or macromolecular synthesis. These data suggest that CD28 costimulation functions to increase glycolytic flux, allowing T cells to anticipate energetic and biosynthetic needs associated with a sustained response.

Abstract To study the cis- and trans-acting factors that mediate programmed death 1 (PD-1) signaling in primary human CD4 T cells, we constructed a chimeric molecule consisting of the murine CD28 extracellular domain and human PD-1 cytoplasmic tail. When introduced into CD4 T cells, this construct mimics the activity of endogenous PD-1 in terms of its ability to suppress T cell expansion and cytokine production. The cytoplasmic tail of PD-1 contains two structural motifs, an ITIM and an immunoreceptor tyrosine-based switch motif (ITSM). Mutation of the ITIM had little effect on PD-1 signaling or functional activity. In contrast, mutation of the ITSM abrogated the ability of PD-1 to block cytokine synthesis and to limit T cell expansion. Further biochemical analyses revealed that the ability of PD-1 to block T cell activation correlated with recruitment of Src homology region 2 domain-containing phosphatase-1 (SHP-1) and SHP-2, and not the adaptor Src homology 2 domain-containing molecule 1A, to the ITSM domain. In TCR-stimulated T cells, SHP-2 associated with PD-1, even in the absence of PD-1 engagement. Despite this interaction, the ability of PD-1 to block T cell activation required receptor ligation, suggesting that colocalization of PD-1 with CD3 and/or CD28 may be necessary for inhibition of T cell activation.

Persistence of T cells engineered with chimeric antigen receptors (CARs) has been a major barrier to use of these cells for molecularly targeted adoptive immunotherapy. To address this issue, we created a series of CARs that contain the T cell receptor-ζ (TCR-ζ) signal transduction domain with the CD28 and/or CD137 (4-1BB) intracellular domains in tandem. After short-term expansion, primary human T cells were subjected to lentiviral gene transfer, resulting in large numbers of cells with >85% CAR expression. In an immunodeficient mouse xenograft model of primary human pre-B-cell acute lymphoblastic leukemia, human T cells expressing anti-CD19 CARs containing CD137 exhibited the greatest antileukemic efficacy and prolonged (>6 months) survival in vivo, and were significantly more effective than cells expressing CARs containing TCR-ζ alone or CD28-ζ signaling receptors. We uncovered a previously unrecognized, antigen-independent effect of CARs expressing the CD137 cytoplasmic domain that likely contributes to the enhanced antileukemic efficacy and survival in tumor bearing mice. Furthermore, our studies revealed significant discrepancies between in vitro and in vivo surrogate measures of CAR efficacy. Together these results suggest that incorporation of the CD137 signaling domain in CARs should improve the persistence of CARs in the hematologic malignancies and hence maximize their antitumor activity. Persistence of T cells engineered with chimeric antigen receptors (CARs) has been a major barrier to use of these cells for molecularly targeted adoptive immunotherapy. To address this issue, we created a series of CARs that contain the T cell receptor-ζ (TCR-ζ) signal transduction domain with the CD28 and/or CD137 (4-1BB) intracellular domains in tandem. After short-term expansion, primary human T cells were subjected to lentiviral gene transfer, resulting in large numbers of cells with >85% CAR expression. In an immunodeficient mouse xenograft model of primary human pre-B-cell acute lymphoblastic leukemia, human T cells expressing anti-CD19 CARs containing CD137 exhibited the greatest antileukemic efficacy and prolonged (>6 months) survival in vivo, and were significantly more effective than cells expressing CARs containing TCR-ζ alone or CD28-ζ signaling receptors. We uncovered a previously unrecognized, antigen-independent effect of CARs expressing the CD137 cytoplasmic domain that likely contributes to the enhanced antileukemic efficacy and survival in tumor bearing mice. Furthermore, our studies revealed significant discrepancies between in vitro and in vivo surrogate measures of CAR efficacy. Together these results suggest that incorporation of the CD137 signaling domain in CARs should improve the persistence of CARs in the hematologic malignancies and hence maximize their antitumor activity.

Homozygosity for the naturally occurring Δ32 deletion in the HIV co-receptor CCR5 confers resistance to HIV-1 infection. We generated an HIV-resistant genotype de novo using engineered zinc-finger nucleases (ZFNs) to disrupt endogenous CCR5. Transient expression of CCR5 ZFNs permanently and specifically disrupted ∼50% of CCR5 alleles in a pool of primary human CD4+ T cells. Genetic disruption of CCR5 provided robust, stable and heritable protection against HIV-1 infection in vitro and in vivo in a NOG model of HIV infection. HIV-1-infected mice engrafted with ZFN-modified CD4+ T cells had lower viral loads and higher CD4+ T-cell counts than mice engrafted with wild-type CD4+ T cells, consistent with the potential to reconstitute immune function in individuals with HIV/AIDS by maintenance of an HIV-resistant CD4+ T-cell population. Thus adoptive transfer of ex vivo expanded CCR5 ZFN–modified autologous CD4+ T cells in HIV patients is an attractive approach for the treatment of HIV-1 infection.

Mesothelin is a cell-surface molecule over-expressed on a large fraction of carcinomas, and thus is an attractive target of immunotherapy. A molecularly targeted therapy for these cancers was created by engineering T cells to express a chimeric receptor with high affinity for human mesothelin. Lentiviral vectors were used to express a single-chain variable fragment that binds mesothelin and that is fused to signaling domains derived from T-cell receptor zeta, CD28, and CD137 (4–1BB). When stimulated by mesothelin, lentivirally transduced T cells were induced to proliferate, express the antiapoptotic gene Bcl-X L , and secrete multiple cytokines, all features characteristic of central memory T cells. When transferred intratumorally or intravenously into NOD/ scid/IL2r γ −/− mice engrafted with large pre-established tumors, the engineered T cells reduced the tumor burden, and in some cases resulted in complete eradication of the tumors at low effector-to-target ratios. Incorporation of the CD137 signaling domain specifically reprogrammed cells for multifunctional cytokine secretion and enhanced persistence of T cells. These findings have important implications for adoptive immunotherapy of cancer, especially in the context of poorly immunogenic tumors. Genetically redirected T cells have promise of targeting T lymphocytes to tumor antigens, confer resistance to the tumor microenvironment, and providing immunosurveillance.

Active suppression by T regulatory cells plays an important role in the down-regulation of T cell responses to foreign and self-Ags. Thus far, the potential role of CD4(+)CD25(+) T cells in human tumors has not been reported. In this work we show that lung tumors contain large numbers of these cells and that they have constitutive high-level expression of CD152 (CTLA-4). Furthermore, the CD4(+)CD25(+) T cells mediate potent inhibition of autologous T cell proliferation. Finally, regulatory T cells from patient tumors failed to inhibit the proliferation of allogeneic T cells. Together these results suggest that the CD4(+)CD25(+) T cells found in lung tumors selectively inhibit the host immune response and therefore could contribute to the progression of lung cancer.

Adoptively transferred chimeric antigen receptor T cells have stable stem cell–like persistence for at least a decade and more than 500 years of patient safety.

T cells engineered to express affinity-enhanced TCRs directed to a MAGE A3 peptide cross-react with a similar, but unrelated, self-peptide.

Abstract Purpose: Adoptive T-cell immunotherapy with tumor infiltrating lymphocytes or genetically-modified T cells has yielded dramatic results in some cancers. However, T cells need to traffic properly into tumors to adequately exert therapeutic effects. Experimental Design: The chemokine CCL2 was highly secreted by malignant pleural mesotheliomas (MPM; a planned tumor target), but the corresponding chemokine receptor (CCR2) was minimally expressed on activated human T cells transduced with a chimeric antibody receptor (CAR) directed to the MPM tumor antigen mesothelin (mesoCAR T cells). The chemokine receptor CCR2b was thus transduced into mesoCAR T cells using a lentiviral vector, and the modified T cells were used to treat established mesothelin-expressing tumors. Results: CCR2b transduction led to CCL2-induced calcium flux and increased transmigration, as well as augmentation of in vitro T-cell killing ability. A single intravenous injection of 20 million mesoCAR + CCR2b T cells into immunodeficient mice bearing large, established tumors (without any adjunct therapy) resulted in a 12.5-fold increase in T-cell tumor infiltration by day 5 compared with mesoCAR T cells. This was associated with significantly increased antitumor activity. Conclusions: CAR T cells bearing a functional chemokine receptor can overcome the inadequate tumor localization that limits conventional CAR targeting strategies and can significantly improve antitumor efficacy in vivo. Clin Cancer Res; 17(14); 4719–30. ©2011 AACR.