High surface expression of programmed death 1 (PD-1) is associated with T-cell exhaustion; however, the relationship between PD-1 expression and T-cell dysfunction has not been delineated. We developed a model to study PD-1 signaling in primary human T cells to study how PD-1 expression affected T-cell function. By determining the number of T-cell receptor/peptide-MHC complexes needed to initiate a Ca(2+) flux, we found that PD-1 ligation dramatically shifts the dose-response curve, making T cells much less sensitive to T-cell receptor-generated signals. Importantly, other T-cell functions were differentially sensitive to PD-1 expression. We observed that high levels of PD-1 expression were required to inhibit macrophage inflammatory protein 1 beta production, lower levels were required to block cytotoxicity and IFN-γ production, and very low levels of PD-1 expression could inhibit TNF-α and IL-2 production as well as T-cell expansion. These findings provide insight into the role of PD-1 expression in enforcing T-cell exhaustion and the therapeutic potential of PD-1 blockade.

ABSTRACT Adoptive cell transfer (ACT) therapy with IL-17 producing human T cells elicits potent antitumor activity in preclinical models. However, further refinement of this novel approach is needed to position it for clinical application. While activation signal strength differentially regulates IL-17 production by human CD4 + T cells, the degree to which TCR and co-stimulation signal strength impacts antitumor Th17 cell immunity remains poorly understood. We discovered that decreasing TCR/co-stimulation signal strength by incremental reduction of αCD3/co-stimulation beads in a Th17 culture progressively diminished their effector memory phenotype but enhanced their polyfunctionality. Additional investigation revealed that Th17 cells stimulated with αCD3/ICOS beads produced more IL-17A, IFNγ, IL-2 and IL-22 than those stimulated with αCD3/CD28 beads, regardless of signal strength. Th17 cells propagated with 30-fold fewer αCD3/ICOS beads (weak signal strength, 1 bead per 10 T cells) were less reliant on glucose for growth compared to those stimulated with the standard, strong signal strength (3 beads per T cell). Further metabolomic analysis revealed Th17 cells weakly simulated with αCD3/ICOS beads favored the central carbon pathway through increased gluconeogenesis for bioenergetics, marked by abundant intracellular phosphoenoylpyruvate (PEP). Importantly, Th17 cells weakly stimulated with αCD3/ICOS beads and redirected with a chimeric antigen receptor (CAR) that recognizes mesothelin were more effective at clearing large human mesothelioma tumors when infused into mice than those manufactured using the standard FDA-approved protocols. Taken together, these data indicate Th17 ACT therapy can be improved by using fewer activation beads during T cell manufacturing, a finding that is both cost effective and directly translatable to patients.