Cytokine-induced differentiation of memory-like natural killer cells enhances antileukemia responses.

Key Points Single-agent IL-15/IL-15Rα-Fc (ALT-803) therapy was well tolerated and resulted in clinical responses in patients who relapsed post-HCT. First-in-human use of ALT-803 promoted NK and CD8+ T-cell expansion and activation in vivo without stimulating regulatory T cells.

NK cells, lymphocytes of the innate immune system, are important for defense against infectious pathogens and cancer. Classically, the CD56dim NK cell subset is thought to mediate antitumor responses, whereas the CD56bright subset is involved in immunomodulation. Here, we challenge this paradigm by demonstrating that brief priming with IL-15 markedly enhanced the antitumor response of CD56bright NK cells. Priming improved multiple CD56bright cell functions: degranulation, cytotoxicity, and cytokine production. Primed CD56bright cells from leukemia patients demonstrated enhanced responses to autologous blasts in vitro, and primed CD56bright cells controlled leukemia cells in vivo in a murine xenograft model. Primed CD56bright cells from multiple myeloma (MM) patients displayed superior responses to autologous myeloma targets, and furthermore, CD56bright NK cells from MM patients primed with the IL-15 receptor agonist ALT-803 in vivo displayed enhanced ex vivo functional responses to MM targets. Effector mechanisms contributing to IL-15-based priming included improved cytotoxic protein expression, target cell conjugation, and LFA-1-, CD2-, and NKG2D-dependent activation of NK cells. Finally, IL-15 robustly stimulated the PI3K/Akt/mTOR and MEK/ERK pathways in CD56bright compared with CD56dim NK cells, and blockade of these pathways attenuated antitumor responses. These findings identify CD56bright NK cells as potent antitumor effectors that warrant further investigation as a cancer immunotherapy.

The surface receptor CD8α is present on 20%-80% of human (but not mouse) NK cells, yet its function on NK cells remains poorly understood. CD8α expression on donor NK cells was associated with a lack of therapeutic responses in patients with leukemia in prior studies, thus, we hypothesized that CD8α may affect critical NK cell functions. Here, we discovered that CD8α- NK cells had improved control of leukemia in xenograft models compared with CD8α+ NK cells, likely due to an enhanced capacity for proliferation. Unexpectedly, we found that CD8α expression was induced on approximately 30% of previously CD8α- NK cells following IL-15 stimulation. These induced CD8α+ (iCD8α+) NK cells had the greatest proliferation, responses to IL-15 signaling, and metabolic activity compared with those that sustained existing CD8α expression (sustained CD8α+) or those that remained CD8α- (persistent CD8α-). These iCD8α+ cells originated from an IL-15Rβhi NK cell population, with CD8α expression dependent on the transcription factor RUNX3. Moreover, CD8A CRISPR/Cas9 deletion resulted in enhanced responses through the activating receptor NKp30, possibly by modulating KIR inhibitory function. Thus, CD8α status identified human NK cell capacity for IL-15-induced proliferation and metabolism in a time-dependent fashion, and its presence had a suppressive effect on NK cell-activating receptors.

Natural killer (NK) cells are innate immune cells that control viral infection and tumorigenic cell growth through targeted cell lysis and cytokine secretion. Human NK cells are classically defined as CD56+CD3- in peripheral blood. CD56 is neural cell adhesion molecule (NCAM1), and despite its ubiquitous expression on human NK cells, the role of CD56 in human NK cell cytotoxic function has not been fully explored. In non-immune cells, NCAM can induce signaling, mediate adhesion, and promote exocytosis, in part through interactions with focal adhesion kinase (FAK). Here we describe the generation and use of CD56-deficient human NK cell lines to define a novel requirement for CD56 in target cell lysis. Namely, we demonstrate that deletion of CD56 on the NK92 cell line led to impaired cytotoxic function against multiple susceptible target cell lines. Deletion of CD56 in a second NK cell line, YTS cells, led to a less severe cytotoxicity defect but impairment in cytokine secretion. Confocal microscopy of wild-type and CD56-KO NK92 cells conjugated to susceptible targets revealed that CD56-KO cells failed to polarize during immunological synapse (IS) formation and had severely impaired exocytosis of lytic granules at the IS. Phosphorylation of the FAK family member Pyk2 at tyrosine 402 was decreased in NK92 CD56-KO cells, demonstrating a functional link between CD56 and IS formation and signaling in human NK cells. Cytotoxicity, lytic granule exocytosis, and the phosphorylation of Pyk2 were rescued by the reintroduction of NCAM140 (CD56), into NK92 CD56-KO cells. These data highlight a novel functional role for CD56 in stimulating exocytosis and promoting cytotoxicity in human NK cells.

Adoptive cellular therapy (ACT) using memory-like (ML) natural killer (NK) cells, generated through overnight ex vivo activation with IL-12, IL-15, and IL-18, has shown promise for treating hematologic malignancies. We recently reported that a multifunctional fusion molecule, HCW9201, comprising IL-12, IL-15, and IL-18 domains could replace individual cytokines for priming human ML NK cell programming ("Prime" step). However, this approach does not include ex vivo expansion, thereby limiting the ability to test different doses and schedules. Here, we report the design and generation of a multifunctional fusion molecule, HCW9206, consisting of human IL-7, IL-15, and IL-21 cytokines. We observed > 300-fold expansion for HCW9201-primed human NK cells cultured for 14 days with HCW9206 and HCW9101, an IgG1 antibody, recognizing the scaffold domain of HCW9206 ("Expand" step). This expansion was dependent on both HCW9206 cytokines and interactions of the IgG1 mAb with CD16 receptors on NK cells. The resulting "Prime and Expand" ML NK cells exhibited elevated metabolic capacity, stable epigenetic IFNG promoter demethylation, enhanced antitumor activity in vitro and in vivo, and superior persistence in NSG mice. Thus, the "Prime and Expand" strategy represents a simple feeder cell-free approach to streamline manufacturing of clinical-grade ML NK cells to support multidose and off-the-shelf ACT.