A trial of autologous T cells redirected to a specific mutation in glioblastoma patients illustrates mechanisms of resistance.

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.

Fc γ receptor (FcγR) coengagement can facilitate antibody-mediated receptor activation in target cells. In particular, agonistic antibodies that target tumor necrosis factor receptor (TNFR) family members have shown dependence on expression of the inhibitory FcγR, FcγRIIB. It remains unclear if engagement of FcγRIIB also extends to the activities of antibodies targeting immunoregulatory TNFRs expressed by T cells. We have explored the requirement for activating and inhibitory FcγRs for the antitumor effects of antibodies targeting the TNFR glucocorticoid-induced TNFR-related protein (GITR; TNFRSF18; CD357) expressed on activated and regulatory T cells (T reg cells). We found that although FcγRIIB was dispensable for the in vivo efficacy of anti-GITR antibodies, in contrast, activating FcγRs were essential. Surprisingly, the dependence on activating FcγRs extended to an antibody targeting the non-TNFR receptor CTLA-4 (CD152) that acts as a negative regulator of T cell immunity. We define a common mechanism that correlated with tumor efficacy, whereby antibodies that coengaged activating FcγRs expressed by tumor-associated leukocytes facilitated the selective elimination of intratumoral T cell populations, particularly T reg cells. These findings may have broad implications for antibody engineering efforts aimed at enhancing the therapeutic activity of immunomodulatory antibodies.

Chimeric antigen receptors (CARs) are synthetic molecules designed to redirect T cells to specific antigens. CAR-modified T cells can mediate long-term durable remissions in B cell malignancies, but expanding this platform to solid tumors requires the discovery of surface targets with limited expression in normal tissues. The variant III mutation of the epidermal growth factor receptor (EGFRvIII) results from an in-frame deletion of a portion of the extracellular domain, creating a neoepitope. We chose a vector backbone encoding a second-generation CAR based on efficacy of a murine scFv-based CAR in a xenograft model of glioblastoma. Next, we generated a panel of humanized scFvs and tested their specificity and function as soluble proteins and in the form of CAR-transduced T cells; a low-affinity scFv was selected on the basis of its specificity for EGFRvIII over wild-type EGFR. The lead candidate scFv was tested in vitro for its ability to direct CAR-transduced T cells to specifically lyse, proliferate, and secrete cytokines in response to antigen-bearing targets. We further evaluated the specificity of the lead CAR candidate in vitro against EGFR-expressing keratinocytes and in vivo in a model of mice grafted with normal human skin. EGFRvIII-directed CAR T cells were also able to control tumor growth in xenogeneic subcutaneous and orthotopic models of human EGFRvIII(+) glioblastoma. On the basis of these results, we have designed a phase 1 clinical study of CAR T cells transduced with humanized scFv directed to EGFRvIII in patients with either residual or recurrent glioblastoma (NCT02209376).

Antibodies targeting checkpoint inhibitors or co-stimulatory receptors on T cells have shown significant antitumor efficacy in preclinical and clinical studies. In mouse tumor models, engagement of activating Fcγ receptor (FcγR)-expressing immune cells was recently shown to be required for the tumoricidal activity of antibodies recognizing the tumor necrosis factor superfamily receptor (TNFR) GITR (CD357) and CTLA-4 (CD152). In particular, activating FcγRs facilitated the selective elimination of intratumoral T-cell populations. However, it remains unclear whether FcγRs contribute to the antitumor efficacy of other immunomodulatory antibodies. Here, we explored the mechanism of antitumor activity mediated by an agonistic antibody (clone OX86) to the co-stimulatory TNFR OX40 (CD134). OX40 was highly expressed by intratumoral T cells, particularly those of the FoxP3(+) regulatory T-cell (Treg) lineage. OX86 administration resulted in the depletion of intratumoral regulatory T cells in an activating FcγR-dependent manner, which correlated with tumor regression. Together with previous data from our group and others, these findings support a mechanism whereby antibodies targeting antigens highly expressed by intratumoral T cells can mediate their elimination by FcγR-expressing immune cells, and facilitate subsequent antitumor immunity.

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.