Chimeric antigen receptor (CAR)-modified T cells targeting CD19 demonstrate unparalleled responses in relapsed/refractory acute lymphoblastic leukemia (ALL)1-5, but toxicity, including cytokine-release syndrome (CRS) and neurotoxicity, limits broader application. Moreover, 40-60% of patients relapse owing to poor CAR T cell persistence or emergence of CD19- clones. Some factors, including the choice of single-chain spacer6 and extracellular7 and costimulatory domains8, have a profound effect on CAR T cell function and persistence. However, little is known about the impact of CAR binding affinity. There is evidence of a ceiling above which increased immunoreceptor affinity may adversely affect T cell responses9-11. We generated a novel CD19 CAR (CAT) with a lower affinity than FMC63, the high-affinity binder used in many clinical studies1-4. CAT CAR T cells showed increased proliferation and cytotoxicity in vitro and had enhanced proliferative and in vivo antitumor activity compared with FMC63 CAR T cells. In a clinical study (CARPALL, NCT02443831 ), 12/14 patients with relapsed/refractory pediatric B cell acute lymphoblastic leukemia treated with CAT CAR T cells achieved molecular remission. Persistence was demonstrated in 11 of 14 patients at last follow-up, with enhanced CAR T cell expansion compared with published data. Toxicity was low, with no severe CRS. One-year overall and event-free survival were 63% and 46%, respectively.

Abstract During the last few years, gene editing has emerged as a powerful tool for the therapeutic correction of monogenic diseases. CRISPR/Cas9 applied to hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) has shown great promise in proof-of-principle preclinical studies to treat haematological disorders, and clinical trials using these tools are now underway. Nonetheless, there remain important challenges that need to be addressed, such as the efficiency of targeting primitive, long-term repopulating HSPCs and expand them in vitro for clinical purposes. Here we have tested the effect exerted by different culture media compositions on the ability of HSPCs to proliferate and undergo homology directed repair-mediated knock-in of a reporter gene, while preserving their stemness features during ex-vivo culture. We tested different combinations of compounds and demonstrated that by supplementing the culture media with inhibitors of histone deacetylases, and/or by fine-tuning its cytokine composition it is possible to achieve high levels of gene targeting in long-term repopulating HSPCs both in vitro and in vivo , with a beneficial balance between preservation of stemness and cell expansion, thus allowing to obtain a significant amount of edited, primitive HSPCs compared to established, state-of-the-art culture conditions. Overall, the implantation of this optimized ex vivo HSPC culture protocol will improve the efficacy, feasibility and applicability of gene editing and will likely provide one step further to unlock the full therapeutic potential of such powerful technology.