Chimeric antigen receptors (CARs) redirect T cell cytotoxicity against cancer cells, providing a promising approach to cancer immunotherapy. Despite extensive clinical use, the attributes of CAR co-stimulatory domains that impact persistence and resistance to exhaustion of CAR-T cells remain largely undefined. Here, we report the influence of signaling domains of coreceptors CD28 and 4-1BB on the metabolic characteristics of human CAR T cells. Inclusion of 4-1BB in the CAR architecture promoted the outgrowth of CD8+ central memory T cells that had significantly enhanced respiratory capacity, increased fatty acid oxidation and enhanced mitochondrial biogenesis. In contrast, CAR T cells with CD28 domains yielded effector memory cells with a genetic signature consistent with enhanced glycolysis. These results provide, at least in part, a mechanistic insight into the differential persistence of CAR-T cells expressing 4-1BB or CD28 signaling domains in clinical trials and inform the design of future CAR T cell therapies.

Genetically modified T cells expressing chimeric antigen receptors (CARs) demonstrate robust responses against lineage restricted, non-essential targets in hematologic cancers. However, in solid tumors, the full potential of CAR T cell therapy is limited by the availability of cell surface antigens with sufficient cancer-specific expression. The majority of CAR targets have been normal self-antigens on dispensable hematopoietic tissues or overexpressed shared antigens. Here, we established that abnormal self-antigens can serve as targets for tumor rejection. We developed a CAR that recognized cancer-associated Tn glycoform of MUC1, a neoantigen expressed in a variety of cancers. Anti-Tn-MUC1 CAR T cells demonstrated target-specific cytotoxicity and successfully controlled tumor growth in xenograft models of T cell leukemia and pancreatic cancer. These findings demonstrate the therapeutic efficacy of CAR T cells directed against Tn-MUC1 and present aberrantly glycosylated antigens as a novel class of targets for tumor therapy with engineered T cells.

Successful tumor eradication by chimeric antigen receptor–expressing (CAR-expressing) T lymphocytes depends on CAR T cell persistence and effector function. We hypothesized that CD4+ and CD8+ T cells may exhibit distinct persistence and effector phenotypes, depending on the identity of specific intracellular signaling domains (ICDs) used to generate the CAR. First, we demonstrate that the ICOS ICD dramatically enhanced the in vivo persistence of CAR-expressing CD4+ T cells that, in turn, increased the persistence of CD8+ T cells expressing either CD28- or 4-1BB–based CARs. These data indicate that persistence of CD8+ T cells was highly dependent on a helper effect provided by the ICD used to redirect CD4+ T cells. Second, we discovered that combining ICOS and 4-1BB ICDs in a third-generation CAR displayed superior antitumor effects and increased persistence in vivo. Interestingly, we found that the membrane-proximal ICD displayed a dominant effect over the distal domain in third-generation CARs. The optimal antitumor and persistence benefits observed in third-generation ICOSBBz CAR T cells required the ICOS ICD to be positioned proximal to the cell membrane and linked to the ICOS transmembrane domain. Thus, CARs with ICOS and 4-1BB ICD demonstrate increased efficacy in solid tumor models over our current 4-1BB–based CAR and are promising therapeutics for clinical testing.

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).

Abstract Chimeric antigen receptors (CAR) are synthetic molecules that provide new specificities to T cells. Although successful in treatment of hematologic malignancies, CAR T cells are ineffective for solid tumors to date. We found that the cell-surface molecule c-Met was expressed in ∼50% of breast tumors, prompting the construction of a CAR T cell specific for c-Met, which halted tumor growth in immune-incompetent mice with tumor xenografts. We then evaluated the safety and feasibility of treating metastatic breast cancer with intratumoral administration of mRNA-transfected c-Met-CAR T cells in a phase 0 clinical trial (NCT01837602). Introducing the CAR construct via mRNA ensured safety by limiting the nontumor cell effects (on-target/off-tumor) of targeting c-Met. Patients with metastatic breast cancer with accessible cutaneous or lymph node metastases received a single intratumoral injection of 3 × 107 or 3 × 108 cells. CAR T mRNA was detectable in peripheral blood and in the injected tumor tissues after intratumoral injection in 2 and 4 patients, respectively. mRNA c-Met-CAR T cell injections were well tolerated, as none of the patients had study drug–related adverse effects greater than grade 1. Tumors treated with intratumoral injected mRNA c-Met-CAR T cells were excised and analyzed by immunohistochemistry, revealing extensive tumor necrosis at the injection site, cellular debris, loss of c-Met immunoreactivity, all surrounded by macrophages at the leading edges and within necrotic zones. We conclude that intratumoral injections of mRNA c-Met-CAR T cells are well tolerated and evoke an inflammatory response within tumors. Cancer Immunol Res; 5(12); 1152–61. ©2017 AACR.

Summary

 CD19-directed immunotherapies are clinically effective for treating B cell malignancies but also cause a high incidence of neurotoxicity. A subset of patients treated with chimeric antigen receptor (CAR) T cells or bispecific T cell engager (BiTE) antibodies display severe neurotoxicity, including fatal cerebral edema associated with T cell infiltration into the brain. Here, we report that mural cells, which surround the endothelium and are critical for blood-brain-barrier integrity, express CD19. We identify CD19 expression in brain mural cells using single-cell RNA sequencing data and confirm perivascular staining at the protein level. CD19 expression in the brain begins early in development alongside the emergence of mural cell lineages and persists throughout adulthood across brain regions. Mouse mural cells demonstrate lower levels of Cd19 expression, suggesting limitations in preclinical animal models of neurotoxicity. These data suggest an on-target mechanism for neurotoxicity in CD19-directed therapies and highlight the utility of human single-cell atlases for designing immunotherapies.

This study compared second-generation chimeric antigen receptors (CAR) encoding signaling domains composed of CD28, ICOS, and 4-1BB (TNFRSF9). Here, we report that certain CARs endow T cells with the ability to undergo long-term autonomous proliferation. Transduction of primary human T cells with lentiviral vectors encoding some of the CARs resulted in sustained proliferation for up to 3 months following a single stimulation through the T-cell receptor (TCR). Sustained numeric expansion was independent of cognate antigen and did not require the addition of exogenous cytokines or feeder cells after a single stimulation of the TCR and CD28. Results from gene array and functional assays linked sustained cytokine secretion and expression of T-bet (TBX21), EOMES, and GATA-3 to the effect. Sustained expression of the endogenous IL2 locus has not been reported in primary T cells. Sustained proliferation was dependent on CAR structure and high expression, the latter of which was necessary but not sufficient. The mechanism involves constitutive signaling through NF-κB, AKT, ERK, and NFAT. The propagated CAR T cells retained a diverse TCR repertoire, and cellular transformation was not observed. The CARs with a constitutive growth phenotype displayed inferior antitumor effects and engraftment in vivo. Therefore, the design of CARs that have a nonconstitutive growth phenotype may be a strategy to improve efficacy and engraftment of CAR T cells. The identification of CARs that confer constitutive or nonconstitutive growth patterns may explain observations that CAR T cells have differential survival patterns in clinical trials.

T cells expressing chimeric antigen receptors (CART) have shown significant promise in clinical trials to treat hematologic malignancies, but their efficacy in solid tumors has been limited. Oncolytic viruses have the potential to act in synergy with immunotherapies due to their immunogenic oncolytic properties and the opportunity of incorporating therapeutic transgenes in their genomes. Here, we hypothesized that an oncolytic adenovirus armed with an EGFR-targeting, bispecific T-cell engager (OAd-BiTE) would improve the outcome of CART-cell therapy in solid tumors. We report that CART cells targeting the folate receptor alpha (FR-α) successfully infiltrated preestablished xenograft tumors but failed to induce complete responses, presumably due to the presence of antigen-negative cancer cells. We demonstrated that OAd-BiTE-mediated oncolysis significantly improved CART-cell activation and proliferation, while increasing cytokine production and cytotoxicity, and showed an

Cancer immunotherapy has flourished over the last 10–15 years, transforming the practice of oncology and providing long-term clinical benefit to some patients. During this time, three distinct classes of immune checkpoint inhibitors, chimeric antigen receptor-T cell therapies specific for two targets, and two distinct classes of bispecific T cell engagers, a vaccine, and an oncolytic virus have joined cytokines as a standard of cancer care. At the same time, scientific progress has delivered vast amounts of new knowledge. For example, advances in technologies such as single-cell sequencing and spatial transcriptomics have provided deep insights into the immunobiology of the tumor microenvironment. With this rapid clinical and scientific progress, the field of cancer immunotherapy is currently at a critical inflection point, with potential for exponential growth over the next decade. Recognizing this, the Society for Immunotherapy of Cancer convened a diverse group of experts in cancer immunotherapy representing academia, the pharmaceutical and biotechnology industries, patient advocacy, and the regulatory community to identify current opportunities and challenges with the goal of prioritizing areas with the highest potential for clinical impact. The consensus group identified seven high-priority areas of current opportunity for the field: mechanisms of antitumor activity and toxicity; mechanisms of drug resistance; biomarkers and biospecimens; unique aspects of novel therapeutics; host and environmental interactions; premalignant immunity, immune interception, and immunoprevention; and clinical trial design, endpoints, and conduct. Additionally, potential roadblocks to progress were discussed, and several topics were identified as cross-cutting tools for optimization, each with potential to impact multiple scientific priority areas. These cross-cutting tools include preclinical models, data curation and sharing, biopsies and biospecimens, diversification of funding sources, definitions and standards, and patient engagement. Finally, three key guiding principles were identified that will both optimize and maximize progress in the field. These include engaging the patient community; cultivating diversity, equity, inclusion, and accessibility; and leveraging the power of artificial intelligence to accelerate progress. Here, we present the outcomes of these discussions as a strategic vision to galvanize the field for the next decade of exponential progress in cancer immunotherapy.