Whether there exists a human memory T cell population with stem cell–like properties of self-renewal and multipotency is under active investigation. Here Gattinoni et al. characterize a subset of human T cells that phenotypically resemble naive T cells yet have properties associated with memory T cells. These T cells show enhanced ability to self renew and to give rise to differentiated memory cell subsets, suggesting a stem cell–like functionality. Immunological memory is thought to depend on a stem cell–like, self-renewing population of lymphocytes capable of differentiating into effector cells in response to antigen re-exposure. Here we describe a long-lived human memory T cell population that has an enhanced capacity for self-renewal and a multipotent ability to derive central memory, effector memory and effector T cells. These cells, specific to multiple viral and self-tumor antigens, were found within a CD45RO−, CCR7+, CD45RA+, CD62L+, CD27+, CD28+ and IL-7Rα+ T cell compartment characteristic of naive T cells. However, they expressed large amounts of CD95, IL-2Rβ, CXCR3, and LFA-1, and showed numerous functional attributes distinctive of memory cells. Compared with known memory populations, these lymphocytes had increased proliferative capacity and more efficiently reconstituted immunodeficient hosts, and they mediated superior antitumor responses in a humanized mouse model. The identification of a human stem cell–like memory T cell population is of direct relevance to the design of vaccines and T cell therapies.

Here, we report on the expression of programmed death (PD)-1 on human virus-specific CD8+ T cells and the effect of manipulating signaling through PD-1 on the survival, proliferation, and cytokine function of these cells. PD-1 expression was found to be low on naive CD8+ T cells and increased on memory CD8+ T cells according to antigen specificity. Memory CD8+ T cells specific for poorly controlled chronic persistent virus (HIV) more frequently expressed PD-1 than memory CD8+ T cells specific for well-controlled persistent virus (cytomegalovirus) or acute (vaccinia) viruses. PD-1 expression was independent of maturational markers on memory CD8+ T cells and was not directly associated with an inability to produce cytokines. Importantly, the level of PD-1 surface expression was the primary determinant of apoptosis sensitivity of virus-specific CD8+ T cells. Manipulation of PD-1 led to changes in the ability of the cells to survive and expand, which, over several days, affected the number of cells expressing cytokines. Therefore, PD-1 is a major regulator of apoptosis that can impact the frequency of antiviral T cells in chronic infections such as HIV, and could be manipulated to improve HIV-specific CD8+ T cell numbers, but possibly not all functions in vivo.

Vaccinia virus immunization provides lifelong protection against smallpox, but the mechanisms of this exquisite protection are unknown. We used polychromatic flow cytometry to characterize the functional and phenotypic profile of CD8+ T cells induced by vaccinia virus immunization in a comparative vaccine trial of modified vaccinia virus Ankara (MVA) versus Dryvax immunization in which protection was assessed against subsequent Dryvax challenge. Vaccinia virus–specific CD8+ T cells induced by both MVA and Dryvax were highly polyfunctional; they degranulated and produced interferon γ, interleukin 2, macrophage inflammatory protein 1β, and tumor necrosis factor α after antigenic stimulation. Responding CD8+ T cells exhibited an unusual phenotype (CD45RO−CD27intermediate). The unique phenotype and high degree of polyfunctionality induced by vaccinia virus also extended to inserted HIV gene products of recombinant NYVAC. This quality of the CD8+ T cell response may be at least partially responsible for the profound efficacy of these vaccines in protection against smallpox and serves as a benchmark against which other vaccines can be evaluated.

The forces that govern clonal selection during the genesis and maintenance of specific T cell responses are complex, but amenable to decryption by interrogation of constituent clonotypes within the antigen-experienced T cell pools. Here, we used point-mutated peptide–major histocompatibility complex class I (pMHCI) antigens, unbiased TCRB gene usage analysis, and polychromatic flow cytometry to probe directly ex vivo the clonal architecture of antigen-specific CD8+ T cell populations under conditions of persistent exposure to structurally stable virus-derived epitopes. During chronic infection with cytomegalovirus and Epstein-Barr virus, CD8+ T cell responses to immunodominant viral antigens were oligoclonal, highly skewed, and exhibited diverse clonotypic configurations; TCRB CDR3 sequence analysis indicated positive selection at the protein level. Dominant clonotypes demonstrated high intrinsic antigen avidity, defined strictly as a physical parameter, and were preferentially driven toward terminal differentiation in phenotypically heterogeneous populations. In contrast, subdominant clonotypes were characterized by lower intrinsic avidities and proportionately greater dependency on the pMHCI–CD8 interaction for antigen uptake and functional sensitivity. These findings provide evidence that interclonal competition for antigen operates in human T cell populations, while preferential CD8 coreceptor compensation mitigates this process to maintain clonotypic diversity. Vaccine strategies that reconstruct these biological processes could generate T cell populations that mediate optimal delivery of antiviral effector function.

Viral persistence is associated with hierarchical antiviral CD8 T cell exhaustion with increased programmed death-1 (PD-1) expression. In HCV persistence, HCV-specific CD8 T cells from the liver (the site of viral replication) display increased PD-1 expression and a profound functional impairment that is not reversed by PD-1 blockade alone. Here, we report that the inhibitory receptor cytotoxic T lymphocyte-associated antigen-4 (CTLA-4) is preferentially upregulated in PD-1+ T cells from the liver but not blood of chronically HCV-infected patients. PD-1/CTLA-4 co-expression in intrahepatic T cells was associated with a profound HCV-specific effector dysfunction that was synergistically reversed by combined PD-1/CTLA-4 blockade in vitro, but not by blocking PD-1 or CTLA-4 alone. A similar effect was observed in circulating HCV-specific CD8 T cells with increased PD-1/CTLA-4 co-expression during acute hepatitis C. The functional response to combined blockade was directly associated with CTLA-4 expression, lost with CD28-depletion and CD4-independent (including CD4+FoxP3+ Tregs). We conclude that PD-1 and CTLA-4 pathways both contribute to virus-specific T cell exhaustion at the site of viral replication by a redundant mechanism that requires combined PD-1/CTLA-4 blockade to reverse. These findings provide new insights into the mechanisms of virus-specific T cell dysfunction, and suggest that the synergistic effect by combined inhibitory receptor blockade might have a therapeutic application against chronic viral infection in vivo, provided that it does not induce autoimmunity.

Active immunization using tumor antigen-loaded dendritic cells holds promise for the adjuvant treatment of cancer to eradicate or control residual disease, but so far, most dendritic cell trials have been performed in end-stage cancer patients with high tumor loads. Here, in a phase I/II trial, we investigated the effect of autologous dendritic cell vaccination in 10 patients with acute myeloid leukemia (AML). The Wilms’ tumor 1 protein (WT1), a nearly universal tumor antigen, was chosen as an immunotherapeutic target because of its established role in leukemogenesis and superior immunogenic characteristics. Two patients in partial remission after chemotherapy were brought into complete remission after intradermal administration of full-length WT1 mRNA-electroporated dendritic cells. In these two patients and three other patients who were in complete remission, the AML-associated tumor marker returned to normal after dendritic cell vaccination, compatible with the induction of molecular remission. Clinical responses were correlated with vaccine-associated increases in WT1-specific CD8 + T cell frequencies, as detected by peptide/HLA-A*0201 tetramer staining, and elevated levels of activated natural killer cells postvaccination. Furthermore, vaccinated patients showed increased levels of WT1-specific IFN-γ–producing CD8 + T cells and features of general immune activation. These data support the further development of vaccination with WT1 mRNA-loaded dendritic cells as a postremission treatment to prevent full relapse in AML patients.

Hepatocellular carcinoma (HCC) is the fifth most common malignancy worldwide with a poor prognosis and limited therapeutic options. To aid the development of novel immunological interventions, we studied the breadth, frequency, and tumor-infiltration of naturally occurring CD8+ T-cell responses targeting several tumor-associated antigens (TAA). We used overlapping peptides spanning the entire alpha-fetoprotein (AFP), glypican-3 (GPC-3), melanoma-associated gene-A1 (MAGE-A1) and New York-esophageal squamous cell carcinoma-1 (NY-ESO-1) proteins and major-histocompatibility-complex-class-I-tetramers specific for epitopes of MAGE-A1 and NY-ESO-1 to analyze TAA-specific CD8+ T-cell responses in a large cohort of HCC patients. After nonspecific expansion in vitro, we detected interferon-γ (IFN-γ)-producing CD8+ T cells specific for all four TAA in the periphery as well as in liver and tumor tissue. These CD8+ T-cell responses displayed clear immunodominance patterns within each TAA, but no consistent hierarchy was observed between different TAA. Importantly, the response breadth was highest in early-stage HCC and associated with patient survival. After antigen-specific expansion, TAA-specific CD8+ T cells were detectable by tetramer staining but impaired in their ability to produce IFN-γ. Furthermore, regulatory T cells (Treg) were increased in HCC lesions. Depletion of Treg from cultures improved TAA-specific CD8+ T-cell proliferation but did not restore IFN-γ-production. Conclusion: Naturally occurring TAA-specific CD8+ T-cell responses are present in patients with HCC and therefore constitute part of the normal T-cell repertoire. Moreover, the presence of these responses correlates with patient survival. However, the observation of impaired IFN-γ production suggests that the efficacy of such responses is functionally limited. These findings support the development of strategies that aim to enhance the total TAA-specific CD8+ T-cell response by therapeutic boosting and/or specificity diversification. However, further research will be required to help unlock the full potential of TAA-specific CD8+ T-cell responses. (Hepatology 2014;59:1415-1426)

Long-lived memory T cells are able to persist in the host in the absence of antigen; however, the mechanism by which they are maintained is not well understood. Recently, a subset of human T cells, stem cell memory T cells (TSCM cells), was shown to be self-renewing and multipotent, thereby providing a potential reservoir for T cell memory throughout life. However, their in vivo dynamics and homeostasis still remain to be defined due to the lack of suitable animal models. We identified T cells with a TSCM phenotype and stem cell–like properties in nonhuman primates. These cells were the least-differentiated memory subset, were functionally distinct from conventional memory cells, and served as precursors of central memory. Antigen-specific TSCM cells preferentially localized to LNs and were virtually absent from mucosal surfaces. They were generated in the acute phase of viral infection, preferentially survived in comparison with all other memory cells following elimination of antigen, and stably persisted for the long term. Thus, one mechanism for maintenance of long-term T cell memory derives from the unique homeostatic properties of TSCM cells. Vaccination strategies designed to elicit durable cellular immunity should target the generation of TSCM cells.