Chimeric antigen receptor (CAR) T cell therapy has shown promise in hematologic malignancies, but its application to solid tumors has been challenging1–4. Given the unique effector functions of macrophages and their capacity to penetrate tumors5, we genetically engineered human macrophages with CARs to direct their phagocytic activity against tumors. We found that a chimeric adenoviral vector overcame the inherent resistance of primary human macrophages to genetic manipulation and imparted a sustained pro-inflammatory (M1) phenotype. CAR macrophages (CAR-Ms) demonstrated antigen-specific phagocytosis and tumor clearance in vitro. In two solid tumor xenograft mouse models, a single infusion of human CAR-Ms decreased tumor burden and prolonged overall survival. Characterization of CAR-M activity showed that CAR-Ms expressed pro-inflammatory cytokines and chemokines, converted bystander M2 macrophages to M1, upregulated antigen presentation machinery, recruited and presented antigen to T cells and resisted the effects of immunosuppressive cytokines. In humanized mouse models, CAR-Ms were further shown to induce a pro-inflammatory tumor microenvironment and boost anti-tumor T cell activity. Primary macrophages engineered to express chimeric antigen receptors have anti-tumor activity in humanized mice.

We report a patient relapsing 9 months after CD19-targeted CAR T cell (CTL019) infusion with CD19– leukemia that aberrantly expressed the anti-CD19 CAR. The CAR gene was unintentionally introduced into a single leukemic B cell during T cell manufacturing, and its product bound in cis to the CD19 epitope on the surface of leukemic cells, masking it from recognition by and conferring resistance to CTL019. A CAR gene unintentionally introduced in a contaminating leukemia cell during the manufacturing of CAR T cells caused a patient to relapse after therapy.

Potent CD19-directed immunotherapies, such as chimeric antigen receptor T cells (CART) and blinatumomab, have drastically changed the outcome of patients with relapsed/refractory B cell acute lymphoblastic leukemia (B-ALL). However, CD19-negative relapses have emerged as a major problem that is observed in approximately 30% of treated patients. Developing approaches to preventing and treating antigen-loss escapes would therefore represent a vertical advance in the field. Here, we found that in primary patient samples, the IL-3 receptor α chain CD123 was highly expressed on leukemia-initiating cells and CD19-negative blasts in bulk B-ALL at baseline and at relapse after CART19 administration. Using intravital imaging in an antigen-loss CD19-negative relapse xenograft model, we determined that CART123, but not CART19, recognized leukemic blasts, established protracted synapses, and eradicated CD19-negative leukemia, leading to prolonged survival. Furthermore, combining CART19 and CART123 prevented antigen-loss relapses in xenograft models. Finally, we devised a dual CAR-expressing construct that combined CD19- and CD123-mediated T cell activation and demonstrated that it provides superior in vivo activity against B-ALL compared with single-expressing CART or pooled combination CART. In conclusion, these findings indicate that targeting CD19 and CD123 on leukemic blasts represents an effective strategy for treating and preventing antigen-loss relapses occurring after CD19-directed therapies

Key Points Targeting of CD123 via CAR-engineered T cells results in rejection of human AML and myeloablation in mouse models.

Abstract During wound healing in adult mouse skin, hair follicles and then adipocytes regenerate. Adipocytes regenerate from myofibroblasts, a specialized contractile wound fibroblast. Here we study wound fibroblast diversity using single-cell RNA-sequencing. On analysis, wound fibroblasts group into twelve clusters. Pseudotime and RNA velocity analyses reveal that some clusters likely represent consecutive differentiation states toward a contractile phenotype, while others appear to represent distinct fibroblast lineages. One subset of fibroblasts expresses hematopoietic markers, suggesting their myeloid origin. We validate this finding using single-cell western blot and single-cell RNA-sequencing on genetically labeled myofibroblasts. Using bone marrow transplantation and Cre recombinase-based lineage tracing experiments, we rule out cell fusion events and confirm that hematopoietic lineage cells give rise to a subset of myofibroblasts and rare regenerated adipocytes. In conclusion, our study reveals that wounding induces a high degree of heterogeneity among fibroblasts and recruits highly plastic myeloid cells that contribute to adipocyte regeneration.

The vertebrate thymus provides an inductive environment for T-cell development. Within the mouse thymus, Notch signals are indispensable for imposing the T-cell fate on multipotential haematopoietic progenitors, but the downstream effectors that impart T-lineage specification and commitment are not well understood. Here we show that a transcription factor, T-cell factor 1 (TCF-1; also known as transcription factor 7, T-cell specific, TCF7), is a critical regulator in T-cell specification. TCF-1 is highly expressed in the earliest thymic progenitors, and its expression is upregulated by Notch signals. Most importantly, when TCF-1 is forcibly expressed in bone marrow (BM) progenitors, it drives the development of T-lineage cells in the absence of T-inductive Notch1 signals. Further characterization of these TCF-1-induced cells revealed expression of many T-lineage genes, including T-cell-specific transcription factors Gata3 and Bcl11b, and components of the T-cell receptor. Our data suggest a model where Notch signals induce TCF-1, and TCF-1 in turn imprints the T-cell fate by upregulating expression of T-cell essential genes. Notch signalling is necessary for early T-cell development in the thymus, but the identities of the downstream effectors that drive T-cell lineage-specific gene expression are unknown. Weber et al. have now identified the transcription factor T-cell factor 1 (TCF-1) as an essential and sufficient key regulator of T-cell identity.

Patients with chemo-refractory acute myeloid leukemia (AML) have a dismal prognosis. Chimeric antigen receptor T (CART) cell therapy has produced exciting results in CD19+ malignancies and may overcome many of the limitations of conventional leukemia therapies. We developed CART cells to target CD33 (CART33) using the anti-CD33 single chain variable fragment used in gemtuzumab ozogamicin (clone My96) and tested the activity and toxicity of these cells. CART33 exhibited significant effector functions in vitro and resulted in eradication of leukemia and prolonged survival in AML xenografts. CART33 also resulted in human lineage cytopenias and reduction of myeloid progenitors in xenograft models of hematopoietic toxicity, suggesting that permanently expressed CD33-specific CART cells would have unacceptable toxicity. To enhance the viability of CART33 as an option for AML, we designed a transiently expressed mRNA anti-CD33 CAR. Gene transfer was carried out by electroporation into T cells and resulted in high-level expression with potent but self-limited activity against AML. Thus our preclinical studies show potent activity of CART33 and indicate that transient expression of anti-CD33 CAR by RNA modification could be used in patients to avoid long-term myelosuppression. CART33 therapy could be used alone or as part of a preparative regimen prior to allogeneic transplantation in refractory AML.

The absence of cancer-restricted surface markers is a major impediment to antigen-specific immunotherapy using chimeric antigen receptor (CAR) T cells. For example, targeting the canonical myeloid marker CD33 in acute myeloid leukemia (AML) results in toxicity from destruction of normal myeloid cells. We hypothesized that a leukemia-specific antigen could be created by deleting CD33 from normal hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs), thereby generating a hematopoietic system resistant to CD33-targeted therapy and enabling specific targeting of AML with CAR T cells. We generated CD33-deficient human HSPCs and demonstrated normal engraftment and differentiation in immunodeficient mice. Autologous CD33 KO HSPC transplantation in rhesus macaques demonstrated long-term multilineage engraftment of gene-edited cells with normal myeloid function. CD33-deficient cells were impervious to CD33-targeting CAR T cells, allowing for efficient elimination of leukemia without myelotoxicity. These studies illuminate a novel approach to antigen-specific immunotherapy by genetically engineering the host to avoid on-target, off-tumor toxicity.

Primary resistance to CD19-directed chimeric antigen receptor T-cell therapy (CART19) occurs in 10% to 20% of patients with acute lymphoblastic leukemia (ALL); however, the mechanisms of this resistance remain elusive. Using a genome-wide loss-of-function screen, we identified that impaired death receptor signaling in ALL led to rapidly progressive disease despite CART19 treatment. This was mediated by an inherent resistance to T-cell cytotoxicity that permitted antigen persistence and was subsequently magnified by the induction of CAR T-cell functional impairment. These findings were validated using samples from two CAR T-cell clinical trials in ALL, where we found that reduced expression of death receptor genes was associated with worse overall survival and reduced T-cell fitness. Our findings suggest that inherent dysregulation of death receptor signaling in ALL directly leads to CAR T-cell failure by impairing T-cell cytotoxicity and promoting progressive CAR T-cell dysfunction. SIGNIFICANCE: Resistance to CART19 is a significant barrier to efficacy in the treatment of B-cell malignancies. This work demonstrates that impaired death receptor signaling in tumor cells causes failed CART19 cytotoxicity and drives CART19 dysfunction, identifying a novel mechanism of antigen-independent resistance to CAR therapy.