Cancer-associated fibroblasts (CAFs) are a major cellular component of tumor microenvironment in most solid cancers. Altered cellular metabolism is a hallmark of cancer, and much of the published literature has focused on neoplastic cell-autonomous processes for these adaptations. We demonstrate that exosomes secreted by patient-derived CAFs can strikingly reprogram the metabolic machinery following their uptake by cancer cells. We find that CAF-derived exosomes (CDEs) inhibit mitochondrial oxidative phosphorylation, thereby increasing glycolysis and glutamine-dependent reductive carboxylation in cancer cells. Through 13C-labeled isotope labeling experiments we elucidate that exosomes supply amino acids to nutrient-deprived cancer cells in a mechanism similar to macropinocytosis, albeit without the previously described dependence on oncogenic-Kras signaling. Using intra-exosomal metabolomics, we provide compelling evidence that CDEs contain intact metabolites, including amino acids, lipids, and TCA-cycle intermediates that are avidly utilized by cancer cells for central carbon metabolism and promoting tumor growth under nutrient deprivation or nutrient stressed conditions.

NK cells have therapeutic potential for a wide variety of human malignancies. However, because NK cells expand poorly in vitro, have limited life spans in vivo, and represent a small fraction of peripheral white blood cells, obtaining sufficient cell numbers is the major obstacle for NK-cell immunotherapy. Genetically-engineered artificial antigen-presenting cells (aAPCs) expressing membrane-bound IL-15 (mbIL15) have been used to propagate clinical-grade NK cells for human trials of adoptive immunotherapy, but ex vivo proliferation has been limited by telomere shortening. We developed K562-based aAPCs with membrane-bound IL-21 (mbIL21) and assessed their ability to support human NK-cell proliferation. In contrast to mbIL15, mbIL21-expressing aAPCs promoted log-phase NK cell expansion without evidence of senescence for up to 6 weeks of culture. By day 21, parallel expansion of NK cells from 22 donors demonstrated a mean 47,967-fold expansion (median 31,747) when co-cultured with aAPCs expressing mbIL21 compared to 825-fold expansion (median 325) with mbIL15. Despite the significant increase in proliferation, mbIL21-expanded NK cells also showed a significant increase in telomere length compared to freshly obtained NK cells, suggesting a possible mechanism for their sustained proliferation. NK cells expanded with mbIL21 were similar in phenotype and cytotoxicity to those expanded with mbIL15, with retained donor KIR repertoires and high expression of NCRs, CD16, and NKG2D, but had superior cytokine secretion. The mbIL21-expanded NK cells showed increased transcription of the activating receptor CD160, but otherwise had remarkably similar mRNA expression profiles of the 96 genes assessed. mbIL21-expanded NK cells had significant cytotoxicity against all tumor cell lines tested, retained responsiveness to inhibitory KIR ligands, and demonstrated enhanced killing via antibody-dependent cell cytotoxicity. Thus, aAPCs expressing mbIL21 promote improved proliferation of human NK cells with longer telomeres and less senescence, supporting their clinical use in propagating NK cells for adoptive immunotherapy.

Immunotherapeutic ablation of lymphoma is a conceptually attractive treatment strategy that is the subject of intense translational research. Cytotoxic T lymphocytes (CTLs) that are genetically modified to express CD19- or CD20-specific, single-chain antibody–derived chimeric antigen receptors (CARs) display HLA-independent antigen-specific recognition/killing of lymphoma targets. Here, we describe our initial experience in applying CAR-redirected autologous CTL adoptive therapy to patients with recurrent lymphoma. Using plasmid vector electrotransfer/drug selection systems, cloned and polyclonal CAR⁺ CTLs were generated from autologous peripheral blood mononuclear cells and expanded in vitro to cell numbers sufficient for clinical use. In 2 FDA-authorized trials, patients with recurrent diffuse large cell lymphoma were treated with cloned CD8⁺ CTLs expressing a CD20-specific CAR (along with NeoR) after autologous hematopoietic stem cell transplantation, and patients with refractory follicular lymphoma were treated with polyclonal T cell preparations expressing a CD19-specific CAR (along with HyTK, a fusion of hygromycin resistance and HSV-1 thymidine kinase suicide genes) and low-dose s.c. recombinant human interleukin-2. A total of 15 infusions were administered (5 at 10⁸cells/m², 7 at 10⁹cells/m², and 3 at 2 × 10⁹cells/m²) to 4 patients. Overt toxicities attributable to CTL administration were not observed; however, detection of transferred CTLs in the circulation, as measured by quantitative polymerase chain reaction, was short (24 hours to 7 days), and cellular antitransgene immune rejection responses were noted in 2 patients. These studies reveal the primary barrier to therapeutic efficacy is limited persistence, and provide the rationale to prospectively define T cell populations intrinsically programmed for survival after adoptive transfer and to modulate the immune status of recipients to prevent/delay antitransgene rejection responses.

Abstract Clinical-grade T cells are genetically modified ex vivo to express a chimeric antigen receptor (CAR) to redirect specificity to a tumor associated antigen (TAA) thereby conferring antitumor activity in vivo. T cells expressing a CD19-specific CAR recognize B-cell malignancies in multiple recipients independent of major histocompatibility complex (MHC) because the specificity domains are cloned from the variable chains of a CD19 monoclonal antibody. We now report a major step toward eliminating the need to generate patient-specific T cells by generating universal allogeneic TAA-specific T cells from one donor that might be administered to multiple recipients. This was achieved by genetically editing CD19-specific CAR+ T cells to eliminate expression of the endogenous αβ T-cell receptor (TCR) to prevent a graft-versus-host response without compromising CAR-dependent effector functions. Genetically modified T cells were generated using the Sleeping Beauty system to stably introduce the CD19-specific CAR with subsequent permanent deletion of α or β TCR chains with designer zinc finger nucleases. We show that these engineered T cells display the expected property of having redirected specificity for CD19 without responding to TCR stimulation. CAR+TCRneg T cells of this type may potentially have efficacy as an off-the-shelf therapy for investigational treatment of B-lineage malignancies.

Chimeric antigen receptors (CAR) combine an antigen-binding domain with a CD3-zeta signaling motif to redirect T-cell specificity to clinically important targets. First-generation CAR, such as the CD19-specific CAR (designated CD19R), may fail to fully engage genetically modified T cells because activation is initiated by antigen-dependent signaling through chimeric CD3-zeta, independent of costimulation through accessory molecules. We show that enforced expression of the full-length costimulatory molecule CD28 in CD8(+)CD19R(+)CD28(-) T cells can restore fully competent antigen-dependent T-cell activation upon binding CD19(+) targets expressing CD80/CD86. Thus, to provide costimulation to T cells through a CD19-specific CAR, independent of binding to CD80/CD86, we developed a second-generation CAR (designated CD19RCD28), which includes a modified chimeric CD28 signaling domain fused to chimeric CD3-zeta. CD19R(+) and CD19RCD28(+) CD8(+) T cells specifically lyse CD19(+) tumor cells. However, the CD19RCD28(+) CD8(+) T cells proliferate in absence of exogenous recombinant human interleukin-2, produce interleukin-2, propagate, and up-regulate antiapoptotic Bcl-X(L) after stimulation by CD19(+) tumor cells. For the first time, we show in vivo that adoptively transferred CD19RCD28(+) T cells show an improved persistence and antitumor effect compared with CD19R(+) T cells. These data imply that modifications to the CAR can result in improved therapeutic potential of CD19-specific T cells expressing this second-generation CAR.

Poor engraftment due to low cell doses restricts the usefulness of umbilical-cord-blood transplantation. We hypothesized that engraftment would be improved by transplanting cord blood that was expanded ex vivo with mesenchymal stromal cells.

T cells expressing antigen-specific chimeric antigen receptors (CARs) improve outcomes for CD19-expressing B cell malignancies. We evaluated a human application of T cells that were genetically modified using the Sleeping Beauty (SB) transposon/transposase system to express a CD19-specific CAR.T cells were genetically modified using DNA plasmids from the SB platform to stably express a second-generation CD19-specific CAR and selectively propagated ex vivo with activating and propagating cells (AaPCs) and cytokines. Twenty-six patients with advanced non-Hodgkin lymphoma and acute lymphoblastic leukemia safely underwent hematopoietic stem cell transplantation (HSCT) and infusion of CAR T cells as adjuvant therapy in the autologous (n = 7) or allogeneic settings (n = 19).SB-mediated genetic transposition and stimulation resulted in 2,200- to 2,500-fold ex vivo expansion of genetically modified T cells, with 84% CAR expression, and without integration hotspots. Following autologous HSCT, the 30-month progression-free and overall survivals were 83% and 100%, respectively. After allogeneic HSCT, the respective 12-month rates were 53% and 63%. No acute or late toxicities and no exacerbation of graft-versus-host disease were observed. Despite a low antigen burden and unsupportive recipient cytokine environment, CAR T cells persisted for an average of 201 days for autologous recipients and 51 days for allogeneic recipients.CD19-specific CAR T cells generated with SB and AaPC platforms were safe, and may provide additional cancer control as planned infusions after HSCT. These results support further clinical development of this nonviral gene therapy approach.Autologous, NCT00968760; allogeneic, NCT01497184; long-term follow-up, NCT01492036.National Cancer Institute, private foundations, and institutional funds. Please see Acknowledgments for details.

Glioblastomas are highly infiltrated by diverse immune cells, including microglia, macrophages, and myeloid-derived suppressor cells (MDSCs). Understanding the mechanisms by which glioblastoma-associated myeloid cells (GAMs) undergo metamorphosis into tumor-supportive cells, characterizing the heterogeneity of immune cell phenotypes within glioblastoma subtypes, and discovering new targets can help the design of new efficient immunotherapies. In this study, we performed a comprehensive battery of immune phenotyping, whole-genome microarray analysis, and microRNA expression profiling of GAMs with matched blood monocytes, healthy donor monocytes, normal brain microglia, nonpolarized M0 macrophages, and polarized M1, M2a, M2c macrophages. Glioblastoma patients had an elevated number of monocytes relative to healthy donors. Among CD11b+ cells, microglia and MDSCs constituted a higher percentage of GAMs than did macrophages. GAM profiling using flow cytometry studies revealed a continuum between the M1- and M2-like phenotype. Contrary to current dogma, GAMs exhibited distinct immunological functions, with the former aligned close to nonpolarized M0 macrophages.

Abstract Chimeric antigen receptors (CAR) are synthetic molecules that provide new specificities to T cells. Although successful in treatment of hematologic malignancies, CAR T cells are ineffective for solid tumors to date. We found that the cell-surface molecule c-Met was expressed in ∼50% of breast tumors, prompting the construction of a CAR T cell specific for c-Met, which halted tumor growth in immune-incompetent mice with tumor xenografts. We then evaluated the safety and feasibility of treating metastatic breast cancer with intratumoral administration of mRNA-transfected c-Met-CAR T cells in a phase 0 clinical trial (NCT01837602). Introducing the CAR construct via mRNA ensured safety by limiting the nontumor cell effects (on-target/off-tumor) of targeting c-Met. Patients with metastatic breast cancer with accessible cutaneous or lymph node metastases received a single intratumoral injection of 3 × 107 or 3 × 108 cells. CAR T mRNA was detectable in peripheral blood and in the injected tumor tissues after intratumoral injection in 2 and 4 patients, respectively. mRNA c-Met-CAR T cell injections were well tolerated, as none of the patients had study drug–related adverse effects greater than grade 1. Tumors treated with intratumoral injected mRNA c-Met-CAR T cells were excised and analyzed by immunohistochemistry, revealing extensive tumor necrosis at the injection site, cellular debris, loss of c-Met immunoreactivity, all surrounded by macrophages at the leading edges and within necrotic zones. We conclude that intratumoral injections of mRNA c-Met-CAR T cells are well tolerated and evoke an inflammatory response within tumors. Cancer Immunol Res; 5(12); 1152–61. ©2017 AACR.

Abstract Respiratory viral infections, especially Influenza (endemic) or SARS-CoV-2 (pandemic since 2020), cause morbidity and mortality worldwide. Despite remarkable progress in the development and deployment of vaccines, they are clearly impacted by the rapid emergence of viral variants. The development of an off-the-shelf, effective, safe, and low-cost drug for prophylaxis against respiratory viral infections is a major unmet medical need. Here, we developed NanoSTING, a liposomally encapsulated formulation of the endogenous STING agonist, 2’-3’ cGAMP, to function as an immunoantiviral. NanoSTING rapidly activates the body’s innate immune system to facilitate a broad-spectrum antiviral response against SARS-CoV-2 and influenza variants in hamsters and mice. We demonstrate that a single intranasal dose of NanoSTING can: (1) treat infections throughout the respiratory system and minimize clinical symptoms, (2) protect against highly pathogenic strains of SARS-CoV-2 (alpha and delta), (3) provide durable protection against reinfection from the same strains without the need for retreatment, (4) prevent transmission of the highly infectious SARS-CoV-2 Omicron strain, and (5) provide protection against both oseltamivir-sensitive and resistant strains of influenza. Mechanistically, administration of NanoSTING rapidly upregulated interferon-stimulated and antiviral pathways in both the nasal turbinates and lung. Our results support using NanoSTING as a thermostable, immunoantiviral with broad-spectrum antiviral properties making it appealing as a therapeutic for prophylactic or early post-exposure treatment.