Abstract The adoptive transfer of T cells expressing anti-CD19 chimeric antigen receptors (CARs) has shown remarkable curative potential against advanced B-cell malignancies, but multiple trials have also reported patient relapses due to the emergence of CD19-negative leukemic cells. Here, we report the design and optimization of single-chain, bispecific CARs that trigger robust cytotoxicity against target cells expressing either CD19 or CD20, two clinically validated targets for B-cell malignancies. We determined the structural parameters required for efficient dual-antigen recognition, and we demonstrate that optimized bispecific CARs can control both wild-type B-cell lymphoma and CD19– mutants with equal efficiency in vivo. To our knowledge, this is the first bispecific CAR capable of preventing antigen escape by performing true OR-gate signal computation on a clinically relevant pair of tumor-associated antigens. The CD19-OR-CD20 CAR is fully compatible with existing T-cell manufacturing procedures and implementable by current clinical protocols. These results present an effective solution to the challenge of antigen escape in CD19 CAR T-cell therapy, and they highlight the utility of structure-based rational design in the development of receptors with higher-level complexity. Cancer Immunol Res; 4(6); 498–508. ©2016 AACR. See related Spotlight by Sadelain, p. 473. An addendum has been published.

Chimeric antigen receptor (CAR)-T cell therapy has shown remarkable clinical efficacy against B-cell malignancies but also demonstrated marked vulnerability to antigen escape and tumor relapse. Here, we report the rational design and systematic optimization of bispecific CAR-T cells with robust activity against multiple myeloma (MM), including heterogeneous MM that is resistant to conventional CAR-T cell therapy targeting B-cell maturation antigen (BCMA). We demonstrate that BCMA/CS1 bispecific CAR-T cells exhibit significantly higher CAR expression levels and greater antigen-stimulated proliferation compared to T cells that co-express individual BCMA and CS1 CARs. Compared to single-input BCMA- or CS1-targeting CAR-T cells, BCMA/CS1 bispecific CAR-T cells significantly prolong the survival of animals bearing heterogeneous MM tumors. Combination therapy with anti-PD-1 antibody further accelerates the rate of initial tumor clearance in vivo, but CAR-T cell treatment alone was able to achieve durable tumor-free survival even upon tumor re-challenge. Taken together, the BCMA/CS1 bispecific CAR presents a promising treatment approach to prevent antigen escape in CAR-T cell therapy against MM, and the vertically integrated optimization process can be used to develop robust cell-based therapy against novel disease targets.