As tumors grow, they acquire mutations, some of which create neoantigens that influence the response of patients to immune checkpoint inhibitors. We explored the impact of neoantigen intratumor heterogeneity (ITH) on antitumor immunity. Through integrated analysis of ITH and neoantigen burden, we demonstrate a relationship between clonal neoantigen burden and overall survival in primary lung adenocarcinomas. CD8(+)tumor-infiltrating lymphocytes reactive to clonal neoantigens were identified in early-stage non-small cell lung cancer and expressed high levels of PD-1. Sensitivity to PD-1 and CTLA-4 blockade in patients with advanced NSCLC and melanoma was enhanced in tumors enriched for clonal neoantigens. T cells recognizing clonal neoantigens were detectable in patients with durable clinical benefit. Cytotoxic chemotherapy-induced subclonal neoantigens, contributing to an increased mutational load, were enriched in certain poor responders. These data suggest that neoantigen heterogeneity may influence immune surveillance and support therapeutic developments targeting clonal neoantigens.

The early detection of relapse following primary surgery for non-small-cell lung cancer and the characterization of emerging subclones, which seed metastatic sites, might offer new therapeutic approaches for limiting tumour recurrence. The ability to track the evolutionary dynamics of early-stage lung cancer non-invasively in circulating tumour DNA (ctDNA) has not yet been demonstrated. Here we use a tumour-specific phylogenetic approach to profile the ctDNA of the first 100 TRACERx (Tracking Non-Small-Cell Lung Cancer Evolution Through Therapy (Rx)) study participants, including one patient who was also recruited to the PEACE (Posthumous Evaluation of Advanced Cancer Environment) post-mortem study. We identify independent predictors of ctDNA release and analyse the tumour-volume detection limit. Through blinded profiling of postoperative plasma, we observe evidence of adjuvant chemotherapy resistance and identify patients who are very likely to experience recurrence of their lung cancer. Finally, we show that phylogenetic ctDNA profiling tracks the subclonal nature of lung cancer relapse and metastasis, providing a new approach for ctDNA-driven therapeutic studies. Circulating tumour DNA profiling in early-stage non-small-cell lung cancer can be used to track single-nucleotide variants in plasma to predict lung cancer relapse and identify tumour subclones involved in the metastatic process. Circulating tumour DNA (ctDNA) has proven useful for detecting and monitoring cancer progression from plasma samples. The authors have applied a bespoke multiplex-PCR next-generation sequencing approach to profile ctDNA in the prospective TRACERx lung cancer clinical trial study. The assay tracks clonal and subclonal variants, in pre- and post-surgery samples. In pre-surgery samples ctDNA detection is associated with histological subtype and other pathological variables and correlates with tumour volume. Blinded longitudinal profiling suggests that ctDNA detection also associates with relapse, and provides insight into the evolutionary patterns of tumour cell subclones during progression. These results advance our understanding of how liquid biopsies can be applied clinically to improve monitoring of cancer.

Treatment with monoclonal antibody specific for cytotoxic T lymphocyte–associated antigen 4 (CTLA-4), an inhibitory receptor expressed by T lymphocytes, has emerged as an effective therapy for the treatment of metastatic melanoma. Although subject to debate, current models favor a mechanism of activity involving blockade of the inhibitory activity of CTLA-4 on both effector (T eff) and regulatory (T reg) T cells, resulting in enhanced antitumor effector T cell activity capable of inducing tumor regression. We demonstrate, however, that the activity of anti–CTLA-4 antibody on the T reg cell compartment is mediated via selective depletion of T reg cells within tumor lesions. Importantly, T reg cell depletion is dependent on the presence of Fcγ receptor–expressing macrophages within the tumor microenvironment, indicating that T reg cells are depleted in trans in a context-dependent manner. Our results reveal further mechanistic insight into the activity of anti-CTLA-4–based cancer immunotherapy, and illustrate the importance of specific features of the local tumor environment on the final outcome of antibody-based immunomodulatory therapies.

Cytotoxic T lymphocyte–associated antigen 4 (CTLA-4) is a critical negative regulator of immune responses. Uniquely among known inhibitory receptors, its genetic ablation results in a fulminating and fatal lymphoproliferative disorder. This central regulatory role led to the development of antibodies designed to block CTLA-4 activity in vivo, aiming to enhance immune responses against cancer. Despite their preclinical efficacy and promising clinical activity against late stage metastatic melanoma, the critical cellular targets for their activity remains unclear. In particular, debate has focused on whether the effector T cell (Teff) or regulatory T cell (T reg cell) compartment is the primary target of antibody-mediated blockade. We developed a mouse expressing human instead of mouse CTLA-4, allowing us to evaluate the independent contributions of CTLA-4 blockade of each T cell compartment during cancer immunotherapy in an in vivo model of mouse melanoma. The data show that although blockade on effector cells significantly improves tumor protection, unicompartmental blockade on regulatory cells completely fails to enhance antitumor responses. However, concomitant blockade of both compartments leads to a synergistic effect and maximal antitumor activity. We conclude that the combination of direct enhancement of Teff cell function and concomitant inhibition of T reg cell activity through blockade of CTLA-4 on both cell types is essential for mediating the full therapeutic effects of anti–CTLA-4 antibodies during cancer immunotherapy.

Adoptive transfer of large numbers of tumor-reactive CD8+ cytotoxic T lymphocytes (CTLs) expanded and differentiated in vitro has shown promising clinical activity against cancer. However, such protocols are complicated by extensive ex vivo manipulations of tumor-reactive cells and have largely focused on CD8+ CTLs, with much less emphasis on the role and contribution of CD4+ T cells. Using a mouse model of advanced melanoma, we found that transfer of small numbers of naive tumor-reactive CD4+ T cells into lymphopenic recipients induces substantial T cell expansion, differentiation, and regression of large established tumors without the need for in vitro manipulation. Surprisingly, CD4+ T cells developed cytotoxic activity, and tumor rejection was dependent on class II–restricted recognition of tumors by tumor-reactive CD4+ T cells. Furthermore, blockade of the coinhibitory receptor CTL-associated antigen 4 (CTLA-4) on the transferred CD4+ T cells resulted in greater expansion of effector T cells, diminished accumulation of tumor-reactive regulatory T cells, and superior antitumor activity capable of inducing regression of spontaneous mouse melanoma. These findings suggest a novel potential therapeutic role for cytotoxic CD4+ T cells and CTLA-4 blockade in cancer immunotherapy, and demonstrate the potential advantages of differentiating tumor-reactive CD4+ cells in vivo over current protocols favoring in vitro expansion and differentiation.

Universal gene-edited CAR19 T cells eliminate infant leukemia.

Abstract A novel nonmyeloablative conditioning regimen was investigated in 44 patients with hematologic malignancies. The median patient age was 41 years. Many of the patients had high-risk features, including 19 patients with a previous failed transplant. Recipient conditioning consisted of CAMPATH-1H, 20 mg/day on days −8 to −4; fludarabine, 30 mg/m2 on days −7 to −3; and melphalan, 140 mg/m2 on day −2. Thirty-six recipients received unmanipulated granculocyte colony-stimulating factor–mobilized peripheral blood stem cells from HLA-identical siblings, and 8 received unmanipulated marrow from matched unrelated donors. GVHD prophylaxis was with cyclosporine A alone for 38 patients and cyclosporine A plus methotrexate for 6 sibling recipients. Forty-two of the 43 evaluable patients had sustained engraftment. Results of chimerism analysis using microsatellite polymerase chain reaction indicate that 18 of 31 patients studied were full-donor chimeras while the other patients were mixed chimeras in one or more lineages. At a median follow-up of 9 months (range 3 to 29 months), 33 patients remain alive in complete remission or with no evidence of disease progression. Seven patients relapsed or progressed post-transplantation, and 4 of them subsequently died. Four patients died of regimen-related complications. There were no cases of grades III-IV acute GVHD. Only 2 patients developed grade II acute GVHD, and only 1 had chronic GVHD. The estimated probability of nonrelapse mortality was 11%. Although longer follow-up is needed to establish the long-term remission rates, this study demonstrates that this nonmyeloablative preparative regimen is associated with durable engraftment, minimal toxicity, and low incidence of GVHD.

Abstract Adoptive immunotherapy using autologous T cells endowed with chimeric antigen receptors (CAR) has emerged as a powerful means of treating cancer. However, a limitation of this approach is that autologous CAR T cells must be generated on a custom-made basis. Here we show that electroporation of transcription activator–like effector nuclease (TALEN) mRNA allows highly efficient multiplex gene editing in primary human T cells. We use this TALEN-mediated editing approach to develop a process for the large-scale manufacturing of T cells deficient in expression of both their αβ T-cell receptor (TCR) and CD52, a protein targeted by alemtuzumab, a chemotherapeutic agent. Functionally, T cells manufactured with this process do not mediate graft-versus-host reactions and are rendered resistant to destruction by alemtuzumab. These characteristics enable the administration of alemtuzumab concurrently or prior to engineered T cells, supporting their engraftment. Furthermore, endowing the TALEN-engineered cells with a CD19 CAR led to efficient destruction of CD19+ tumor targets even in the presence of the chemotherapeutic agent. These results demonstrate the applicability of TALEN-mediated genome editing to a scalable process, which enables the manufacturing of third-party CAR T-cell immunotherapies against arbitrary targets. As such, CAR T-cell immunotherapies can therefore be used in an “off-the-shelf” manner akin to other biologic immunopharmaceuticals. Cancer Res; 75(18); 3853–64. ©2015 AACR.

With the use of a mouse model expressing human Fc-gamma receptors (FcγRs), we demonstrated that antibodies with isotypes equivalent to ipilimumab and tremelimumab mediate intra-tumoral regulatory T (Treg) cell depletion in vivo, increasing the CD8+ to Treg cell ratio and promoting tumor rejection. Antibodies with improved FcγR binding profiles drove superior anti-tumor responses and survival. In patients with advanced melanoma, response to ipilimumab was associated with the CD16a-V158F high affinity polymorphism. Such activity only appeared relevant in the context of inflamed tumors, explaining the modest response rates observed in the clinical setting. Our data suggest that the activity of anti-CTLA-4 in inflamed tumors may be improved through enhancement of FcγR binding, whereas poorly infiltrated tumors will likely require combination approaches.

Adoptive transfer of CMV-specific T cells offers the potential for reconstitution of viral immunity after allogeneic transplantation. However, the logistics of producing virus-specific T-cell clones has limited the application of cellular therapies. We treated 16 patients for CMV infection with polyclonal CMV-specific T-cell lines generated by short-term culture. Massive in-vivo expansions of CMV-specific cytotoxic T lymphocytes were observed, resulting in reconstitution of viral immunity. In eight cases antiviral drugs were not required, and subsequent episodes of reactivation occurred in only two patients. Our findings indicate that application of CMV-specific cell lines is both feasible and effective in a clinical environment.