Tolerance to self-antigens prevents the elimination of cancer by the immune system1,2. We used synthetic chimeric antigen receptors (CARs) to overcome immunological tolerance and mediate tumor rejection in patients with chronic lymphocytic leukemia (CLL). Remission was induced in a subset of subjects, but most did not respond. Comprehensive assessment of patient-derived CAR T cells to identify mechanisms of therapeutic success and failure has not been explored. We performed genomic, phenotypic and functional evaluations to identify determinants of response. Transcriptomic profiling revealed that CAR T cells from complete-responding patients with CLL were enriched in memory-related genes, including IL-6/STAT3 signatures, whereas T cells from nonresponders upregulated programs involved in effector differentiation, glycolysis, exhaustion and apoptosis. Sustained remission was associated with an elevated frequency of CD27+CD45RO–CD8+ T cells before CAR T cell generation, and these lymphocytes possessed memory-like characteristics. Highly functional CAR T cells from patients produced STAT3-related cytokines, and serum IL-6 correlated with CAR T cell expansion. IL-6/STAT3 blockade diminished CAR T cell proliferation. Furthermore, a mechanistically relevant population of CD27+PD-1–CD8+ CAR T cells expressing high levels of the IL-6 receptor predicts therapeutic response and is responsible for tumor control. These findings uncover new features of CAR T cell biology and underscore the potential of using pretreatment biomarkers of response to advance immunotherapies. An IL-6/STAT3 signature and memory CD8 T cell subset in preinfusion chimeric antigen receptor–expressing T cells associate with response in patients with high-risk chronic lymphocytic leukemia.

BACKGROUND. CAR T cells are a promising therapy for hematologic malignancies. B cell maturation antigen (BCMA) is a rational target in multiple myeloma (MM).

The adoptive transfer of T lymphocytes reprogrammed to target tumour cells has demonstrated potential for treatment of various cancers1-7. However, little is known about the long-term potential and clonal stability of the infused cells. Here we studied long-lasting CD19-redirected chimeric antigen receptor (CAR) T cells in two patients with chronic lymphocytic leukaemia1-4 who achieved a complete remission in 2010. CAR T cells remained detectable more than ten years after infusion, with sustained remission in both patients. Notably, a highly activated CD4+ population emerged in both patients, dominating the CAR T cell population at the later time points. This transition was reflected in the stabilization of the clonal make-up of CAR T cells with a repertoire dominated by a small number of clones. Single-cell profiling demonstrated that these long-persisting CD4+ CAR T cells exhibited cytotoxic characteristics along with ongoing functional activation and proliferation. In addition, longitudinal profiling revealed a population of gamma delta CAR T cells that prominently expanded in one patient concomitant with CD8+ CAR T cells during the initial response phase. Our identification and characterization of these unexpected CAR T cell populations provide novel insight into the CAR T cell characteristics associated with anti-cancer response and long-term remission in leukaemia.

The adoptive transfer of T lymphocytes reprogrammed to target tumor cells has demonstrated significant potential in various malignancies. However, little is known about the long-term potential and the clonal stability of the infused cells. Here, we studied the longest persisting CD19-redirected chimeric antigen receptor (CAR) T cells to date in two chronic lymphocytic leukemia (CLL) patients who achieved a complete remission in 2010. CAR T-cells were still detectable up to 10+ years post-infusion, with sustained remission in both patients. Surprisingly, a prominent, highly activated CD4 + population developed in both patients during the years post-infusion, dominating the CAR T-cell population at the late time points. This transition was reflected in the stabilization of the clonal make-up of CAR T-cells with a repertoire dominated by few clones. Single cell multi-omics profiling via Cellular Indexing of Transcriptomes and Epitopes by Sequencing (CITE-Seq) with TCR sequencing of CAR T-cells obtained 9.3 years post-infusion demonstrated that these long-persisting CD4 + CAR T-cells exhibited cytotoxic characteristics along with strong evidence of ongoing functional activation and proliferation. Our data provide novel insight into the CAR T-cell characteristics associated with long-term remission in leukemia.