Chimeric antigen receptor (CAR) T cells are ineffective against solid tumors with immunosuppressive microenvironments. To overcome suppression, we engineered circuits in which tumor-specific synNotch receptors locally induce production of the cytokine IL-2. These circuits potently enhance CAR T cell infiltration and clearance of immune-excluded tumors, without systemic toxicity. The most effective IL-2 induction circuit acts in an autocrine and T cell receptor (TCR)- or CAR-independent manner, bypassing suppression mechanisms including consumption of IL-2 or inhibition of TCR signaling. These engineered cells establish a foothold in the target tumors, with synthetic Notch-induced IL-2 production enabling initiation of CAR-mediated T cell expansion and cell killing. Thus, it is possible to reconstitute synthetic T cell circuits that activate the outputs ultimately required for an antitumor response, but in a manner that evades key points of tumor suppression.

ABSTRACT Treatment of solid cancers with chimeric antigen receptor (CAR) T cells is plagued by the lack of target antigens that are both tumor-specific and homogeneously expressed. We show that multiantigen prime-and-kill recognition circuits have the flexibility and precision to overcome these challenges in attacking glioblastoma. A synNotch receptor that recognizes a specific priming antigen – the heterogeneous glioblastoma neoantigen EGFRvIII or a brain tissue-specific antigen – is used to locally induce expression of a CAR, enabling thorough but controlled tumor killing by targeting of homogeneous antigens that are not absolutely tumor specific. Moreover, regulated CAR expression maintains a higher fraction of the T cells in the naïve-like state which is associated with higher durability in vivo . In summary, using circuits that integrate recognition of multiple imperfect but complementary antigens, we improve the specificity and persistence of T cells directed against glioblastoma, providing a general recognition strategy applicable to other solid tumors.

Abstract Overexpressed tumor associated antigens (e.g. HER2 and EGFR) are attractive targets for therapeutic T cells, but toxic cross-reaction with normal tissues expressing low antigen levels has been observed with Chimeric Antigen Receptor (CAR) T cells targeting such antigens. Inspired by natural ultrasensitive response circuits, we engineer a two-step positive feedback circuit that allows T cells to discriminate targets based on a sigmoidal antigen density threshold. In this circuit, a low affinity SynNotch receptor for HER2 controls the expression of a high affinity CAR for HER2. Increasing HER2 density thus has cooperative effects on T cells ╌ it both increases CAR expression and activation ╌ leading to a sigmoidal response. T Cells with this circuit show sharp discrimination between target cells expressing normal and disease levels of HER2, both in vitro and in vivo . One Sentence Summary A two-step positive feedback circuit generates engineered T cells capable of killing target cells with an ultrasensitive antigen density threshold.