Chimeric antigen receptors (CARs) consist of an extracellular antigen-binding region fused to intracellular signaling domains, thus enabling customized T cell responses against target cells. Due to the low-throughput process of systematically designing and functionally testing CARs, only a small set of immune signaling domains have been thoroughly explored, despite their major role in T cell activation, effector function and persistence. Here, we present speedingCARs, an integrated method for engineering CAR T cells by signaling domain shuffling and functional screening by single-cell sequencing. Leveraging the inherent modularity of natural signaling domains, we generated a diverse library of 180 unique CAR variants, which were genomically integrated into primary human T cells by CRISPR-Cas9. Functional and pooled screening of the CAR T cell library was performed by co-culture with tumor cells, followed by single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) and single-cell CAR sequencing (scCAR-seq), thus enabling high-throughput profiling of multi-dimensional cellular responses. This led to the discovery of several CAR variants that retained the ability to kill tumor cells, while also displaying diverse transcriptional signatures and T cell phenotypes. In summary, speedingCARs substantially expands and characterizes the signaling domain combinations suited for CAR design and supports the engineering of next-generation T cell therapies.

ABSTRACT Adoptive T cell therapy (ACT), the therapeutic transfer of defined T cell immunity to patients, offers great potential in the fight against different human diseases including difficult-to-treat viral infections but response rates are still suboptimal. Very early differentiated stem cell memory T cells (T SCM ) have superior self-renewal, engraftment, persistence, and anti-cancer efficacy, but their potential for anti-viral ACT remains unknown. Here, we developed a clinically-scalable protocol for expanding Epstein-Barr virus (EBV)-specific T SCM -enriched T cells with high proportions of CD4 + T cells and broad EBV antigen coverage. These cells showed tumor control in a xenograft model of post-transplant lymphoproliferative disorder (PTLD) and were superior to previous ACT protocols in terms of tumor infiltration, in vivo proliferation, persistence, proportion of functional CD4 + T cells, and diversity of EBV antigen specificity. Thus, our new protocol may pave the way for the next generation of potent unmodified antigen-specific cell therapies for EBV-associated diseases, including tumors, and other indications.

Adoptive T cell therapy (ACT), the therapeutic transfer of defined T cell immunity to patients, offers great potential in the fight against different human diseases including difficult-to-treat viral infections, but persistence and longevity of the cells are areas of concern. Very-early-differentiated stem cell memory T cells (T SCMs ) have superior self-renewal, engraftment, persistence, and anticancer efficacy, but their potential for antiviral ACT remains unknown. Here, we developed a clinically scalable protocol for expanding Epstein-Barr virus (EBV)–specific T SCM -enriched T cells with high proportions of CD4 + T cells and broad EBV antigen coverage. These cells showed tumor control in a xenograft model of EBV-induced lymphoma and were superior to previous ACT protocols in terms of tumor infiltration, in vivo proliferation, persistence, proportion of functional CD4 + T cells, and diversity of EBV antigen specificity. Thus, our protocol may pave the way for the next generation of potent unmodified antigen-specific cell therapies for EBV-associated diseases, including tumors, and other indications.

ABSTRACT Adoptive cell therapy of donor-derived, antigen-specific T cells expressing native T cell receptors (TCRs) is a powerful strategy to fight viral infections in immunocompromised patients. Determining the fate of T cells following patient infusion hinges on the ability to track them in vivo . While this is possible by genetic labeling of parent cells, the applicability of this approach has been limited by the non-specificity of the edited T cells. Here, we devised a method for CRISPR-targeted genome integration of a barcoded gene into Epstein-Barr virus-antigen-stimulated T cells and demonstrated its use for exclusively identifying expanded virus-specific cell lineages. Our method facilitated the enrichment of antigen-specific T cells, which then mediated improved cytotoxicity against EBV-transformed target cells. Single-cell and deep sequencing for lineage tracing revealed the expansion profile of specific T cell clones and their corresponding gene expression signature. This method has the potential to enhance the traceability and the monitoring capabilities during immunotherapeutic T cell regimens.