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.

CRISPR takes first steps in humans CRISPR-Cas9 is a revolutionary gene-editing technology that offers the potential to treat diseases such as cancer, but the effects of CRISPR in patients are currently unknown. Stadtmauer et al. report a phase 1 clinical trial to assess the safety and feasibility of CRISPR-Cas9 gene editing in three patients with advanced cancer (see the Perspective by Hamilton and Doudna). They removed immune cells called T lymphocytes from patients and used CRISPR-Cas9 to disrupt three genes ( TRAC, TRBC , and PDCD1 ) with the goal of improving antitumor immunity. A cancer-targeting transgene, NY-ESO-1, was also introduced to recognize tumors. The engineered cells were administered to patients and were well tolerated, with durable engraftment observed for the study duration. These encouraging observations pave the way for future trials to study CRISPR-engineered cancer immunotherapies. Science , this issue p. eaba7365 ; see also p. 976

Cancer immunotherapy based on genetically redirecting T cells has been used successfully to treat B cell malignancies1–3. In this strategy, the T cell genome is modified by integration of viral vectors or transposons encoding chimaeric antigen receptors (CARs) that direct tumour cell killing. However, this approach is often limited by the extent of expansion and persistence of CAR T cells4,5. Here we report mechanistic insights from studies of a patient with chronic lymphocytic leukaemia treated with CAR T cells targeting the CD19 protein. Following infusion of CAR T cells, anti-tumour activity was evident in the peripheral blood, lymph nodes and bone marrow; this activity was accompanied by complete remission. Unexpectedly, at the peak of the response, 94% of CAR T cells originated from a single clone in which lentiviral vector-mediated insertion of the CAR transgene disrupted the methylcytosine dioxygenase TET2 gene. Further analysis revealed a hypomorphic mutation in this patient’s second TET2 allele. TET2-disrupted CAR T cells exhibited an epigenetic profile consistent with altered T cell differentiation and, at the peak of expansion, displayed a central memory phenotype. Experimental knockdown of TET2 recapitulated the potency-enhancing effect of TET2 dysfunction in this patient’s CAR T cells. These findings suggest that the progeny of a single CAR T cell induced leukaemia remission and that TET2 modification may be useful for improving immunotherapies. Genetically engineered T cells that induced remission in a patient with chronic lymphocytic leukaemia were found to have disruption of the TET2 gene, which caused T cell changes that potentiated their anti-tumour effects.

We report a patient relapsing 9 months after CD19-targeted CAR T cell (CTL019) infusion with CD19– leukemia that aberrantly expressed the anti-CD19 CAR. The CAR gene was unintentionally introduced into a single leukemic B cell during T cell manufacturing, and its product bound in cis to the CD19 epitope on the surface of leukemic cells, masking it from recognition by and conferring resistance to CTL019. A CAR gene unintentionally introduced in a contaminating leukemia cell during the manufacturing of CAR T cells caused a patient to relapse after therapy.

Key Points Ibrutinib treatment of CLL enhances the generation of CAR T cells for adoptive immunotherapy. Concurrent ibrutinib therapy improves the engraftment and therapeutic efficacy of anti-CD19 CAR T cells in mouse models.