Whether there exists a human memory T cell population with stem cell–like properties of self-renewal and multipotency is under active investigation. Here Gattinoni et al. characterize a subset of human T cells that phenotypically resemble naive T cells yet have properties associated with memory T cells. These T cells show enhanced ability to self renew and to give rise to differentiated memory cell subsets, suggesting a stem cell–like functionality. Immunological memory is thought to depend on a stem cell–like, self-renewing population of lymphocytes capable of differentiating into effector cells in response to antigen re-exposure. Here we describe a long-lived human memory T cell population that has an enhanced capacity for self-renewal and a multipotent ability to derive central memory, effector memory and effector T cells. These cells, specific to multiple viral and self-tumor antigens, were found within a CD45RO−, CCR7+, CD45RA+, CD62L+, CD27+, CD28+ and IL-7Rα+ T cell compartment characteristic of naive T cells. However, they expressed large amounts of CD95, IL-2Rβ, CXCR3, and LFA-1, and showed numerous functional attributes distinctive of memory cells. Compared with known memory populations, these lymphocytes had increased proliferative capacity and more efficiently reconstituted immunodeficient hosts, and they mediated superior antitumor responses in a humanized mouse model. The identification of a human stem cell–like memory T cell population is of direct relevance to the design of vaccines and T cell therapies.

Persistence of T cells engineered with chimeric antigen receptors (CARs) has been a major barrier to use of these cells for molecularly targeted adoptive immunotherapy. To address this issue, we created a series of CARs that contain the T cell receptor-ζ (TCR-ζ) signal transduction domain with the CD28 and/or CD137 (4-1BB) intracellular domains in tandem. After short-term expansion, primary human T cells were subjected to lentiviral gene transfer, resulting in large numbers of cells with >85% CAR expression. In an immunodeficient mouse xenograft model of primary human pre-B-cell acute lymphoblastic leukemia, human T cells expressing anti-CD19 CARs containing CD137 exhibited the greatest antileukemic efficacy and prolonged (>6 months) survival in vivo, and were significantly more effective than cells expressing CARs containing TCR-ζ alone or CD28-ζ signaling receptors. We uncovered a previously unrecognized, antigen-independent effect of CARs expressing the CD137 cytoplasmic domain that likely contributes to the enhanced antileukemic efficacy and survival in tumor bearing mice. Furthermore, our studies revealed significant discrepancies between in vitro and in vivo surrogate measures of CAR efficacy. Together these results suggest that incorporation of the CD137 signaling domain in CARs should improve the persistence of CARs in the hematologic malignancies and hence maximize their antitumor activity. Persistence of T cells engineered with chimeric antigen receptors (CARs) has been a major barrier to use of these cells for molecularly targeted adoptive immunotherapy. To address this issue, we created a series of CARs that contain the T cell receptor-ζ (TCR-ζ) signal transduction domain with the CD28 and/or CD137 (4-1BB) intracellular domains in tandem. After short-term expansion, primary human T cells were subjected to lentiviral gene transfer, resulting in large numbers of cells with >85% CAR expression. In an immunodeficient mouse xenograft model of primary human pre-B-cell acute lymphoblastic leukemia, human T cells expressing anti-CD19 CARs containing CD137 exhibited the greatest antileukemic efficacy and prolonged (>6 months) survival in vivo, and were significantly more effective than cells expressing CARs containing TCR-ζ alone or CD28-ζ signaling receptors. We uncovered a previously unrecognized, antigen-independent effect of CARs expressing the CD137 cytoplasmic domain that likely contributes to the enhanced antileukemic efficacy and survival in tumor bearing mice. Furthermore, our studies revealed significant discrepancies between in vitro and in vivo surrogate measures of CAR efficacy. Together these results suggest that incorporation of the CD137 signaling domain in CARs should improve the persistence of CARs in the hematologic malignancies and hence maximize their antitumor activity.

Homozygosity for the naturally occurring Δ32 deletion in the HIV co-receptor CCR5 confers resistance to HIV-1 infection. We generated an HIV-resistant genotype de novo using engineered zinc-finger nucleases (ZFNs) to disrupt endogenous CCR5. Transient expression of CCR5 ZFNs permanently and specifically disrupted ∼50% of CCR5 alleles in a pool of primary human CD4+ T cells. Genetic disruption of CCR5 provided robust, stable and heritable protection against HIV-1 infection in vitro and in vivo in a NOG model of HIV infection. HIV-1-infected mice engrafted with ZFN-modified CD4+ T cells had lower viral loads and higher CD4+ T-cell counts than mice engrafted with wild-type CD4+ T cells, consistent with the potential to reconstitute immune function in individuals with HIV/AIDS by maintenance of an HIV-resistant CD4+ T-cell population. Thus adoptive transfer of ex vivo expanded CCR5 ZFN–modified autologous CD4+ T cells in HIV patients is an attractive approach for the treatment of HIV-1 infection.

Mesothelin is a cell-surface molecule over-expressed on a large fraction of carcinomas, and thus is an attractive target of immunotherapy. A molecularly targeted therapy for these cancers was created by engineering T cells to express a chimeric receptor with high affinity for human mesothelin. Lentiviral vectors were used to express a single-chain variable fragment that binds mesothelin and that is fused to signaling domains derived from T-cell receptor zeta, CD28, and CD137 (4–1BB). When stimulated by mesothelin, lentivirally transduced T cells were induced to proliferate, express the antiapoptotic gene Bcl-X L , and secrete multiple cytokines, all features characteristic of central memory T cells. When transferred intratumorally or intravenously into NOD/ scid/IL2r γ −/− mice engrafted with large pre-established tumors, the engineered T cells reduced the tumor burden, and in some cases resulted in complete eradication of the tumors at low effector-to-target ratios. Incorporation of the CD137 signaling domain specifically reprogrammed cells for multifunctional cytokine secretion and enhanced persistence of T cells. These findings have important implications for adoptive immunotherapy of cancer, especially in the context of poorly immunogenic tumors. Genetically redirected T cells have promise of targeting T lymphocytes to tumor antigens, confer resistance to the tumor microenvironment, and providing immunosurveillance.

Abstract Purpose: Adoptive T-cell immunotherapy with tumor infiltrating lymphocytes or genetically-modified T cells has yielded dramatic results in some cancers. However, T cells need to traffic properly into tumors to adequately exert therapeutic effects. Experimental Design: The chemokine CCL2 was highly secreted by malignant pleural mesotheliomas (MPM; a planned tumor target), but the corresponding chemokine receptor (CCR2) was minimally expressed on activated human T cells transduced with a chimeric antibody receptor (CAR) directed to the MPM tumor antigen mesothelin (mesoCAR T cells). The chemokine receptor CCR2b was thus transduced into mesoCAR T cells using a lentiviral vector, and the modified T cells were used to treat established mesothelin-expressing tumors. Results: CCR2b transduction led to CCL2-induced calcium flux and increased transmigration, as well as augmentation of in vitro T-cell killing ability. A single intravenous injection of 20 million mesoCAR + CCR2b T cells into immunodeficient mice bearing large, established tumors (without any adjunct therapy) resulted in a 12.5-fold increase in T-cell tumor infiltration by day 5 compared with mesoCAR T cells. This was associated with significantly increased antitumor activity. Conclusions: CAR T cells bearing a functional chemokine receptor can overcome the inadequate tumor localization that limits conventional CAR targeting strategies and can significantly improve antitumor efficacy in vivo. Clin Cancer Res; 17(14); 4719–30. ©2011 AACR.

Redirecting T lymphocyte antigen specificity by gene transfer can provide large numbers of tumor-reactive T lymphocytes for adoptive immunotherapy. However, safety concerns associated with viral vector production have limited clinical application of T cells expressing chimeric antigen receptors (CAR). T lymphocytes can be gene modified by RNA electroporation without integration-associated safety concerns. To establish a safe platform for adoptive immunotherapy, we first optimized the vector backbone for RNA in vitro transcription to achieve high-level transgene expression. CAR expression and function of RNA-electroporated T cells could be detected up to a week after electroporation. Multiple injections of RNA CAR-electroporated T cells mediated regression of large vascularized flank mesothelioma tumors in NOD/scid/γc(-/-) mice. Dramatic tumor reduction also occurred when the preexisting intraperitoneal human-derived tumors, which had been growing in vivo for >50 days, were treated by multiple injections of autologous human T cells electroporated with anti-mesothelin CAR mRNA. This is the first report using matched patient tumor and lymphocytes showing that autologous T cells from cancer patients can be engineered to provide an effective therapy for a disseminated tumor in a robust preclinical model. Multiple injections of RNA-engineered T cells are a novel approach for adoptive cell transfer, providing flexible platform for the treatment of cancer that may complement the use of retroviral and lentiviral engineered T cells. This approach may increase the therapeutic index of T cells engineered to express powerful activation domains without the associated safety concerns of integrating viral vectors.

Abemaciclib, an inhibitor of cyclin dependent kinases 4 and 6 (CDK4/6), has recently been approved for the treatment of hormone receptor-positive breast cancer. In this study, we use murine syngeneic tumor models and in vitro assays to investigate the impact of abemaciclib on T cells, the tumor immune microenvironment and the ability to combine with anti-PD-L1 blockade. Abemaciclib monotherapy resulted in tumor growth delay that was associated with an increased T cell inflammatory signature in tumors. Combination with anti-PD-L1 therapy led to complete tumor regressions and immunological memory, accompanied by enhanced antigen presentation, a T cell inflamed phenotype, and enhanced cell cycle control. In vitro, treatment with abemaciclib resulted in increased activation of human T cells and upregulated expression of antigen presentation genes in MCF-7 breast cancer cells. These data collectively support the clinical investigation of the combination of abemaciclib with agents such as anti-PD-L1 that modulate T cell anti-tumor immunity.

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.

Human T cells engineered to express a chimeric antigen receptor (CAR) specific for folate receptor-α (FRα) have shown robust antitumor activity against epithelial cancers in vitro but not in the clinic because of their inability to persist and home to tumor in vivo. In this study, CARs were constructed containing a FRα-specific scFv (MOv19) coupled to the T-cell receptor CD3ζ chain signaling module alone (MOv19-ζ) or in combination with the CD137 (4-1BB) costimulatory motif in tandem (MOv19-BBζ). Primary human T cells transduced to express conventional MOv19-ζ or costimulated MOv19-BBζ CARs secreted various proinflammatory cytokines, and exerted cytotoxic function when cocultured with FRα(+) tumor cells in vitro. However, only transfer of human T cells expressing the costimulated MOv19-BBζ CAR mediated tumor regression in immunodeficient mice bearing large, established FRα(+) human cancer. MOv19-BBζ CAR T-cell infusion mediated tumor regression in models of metastatic intraperitoneal, subcutaneous, and lung-involved human ovarian cancer. Importantly, tumor response was associated with the selective survival and tumor localization of human T cells in vivo and was only observed in mice receiving costimulated MOv19-BBζ CAR T cells. T-cell persistence and antitumor activity were primarily antigen-driven; however, antigen-independent CD137 signaling by CAR improved T-cell persistence but not antitumor activity in vivo. Our results show that anti-FRα CAR outfitted with CD137 costimulatory signaling in tandem overcome issues of T-cell persistence and tumor localization that limit the conventional FRα T-cell targeting strategy to provide potent antitumor activity in vivo.