Purpose The outcome for patients with metastatic or recurrent sarcoma remains poor. Adoptive therapy with tumor-directed T cells is an attractive therapeutic option but has never been evaluated in sarcoma. Patients and Methods We conducted a phase I/II clinical study in which patients with recurrent/refractory human epidermal growth factor receptor 2 (HER2) –positive sarcoma received escalating doses (1 × 10 4 /m 2 to 1 × 10 8 /m 2 ) of T cells expressing an HER2-specific chimeric antigen receptor with a CD28.ζ signaling domain (HER2-CAR T cells). Results We enrolled 19 patients with HER2-positive tumors (16 osteosarcomas, one Ewing sarcoma, one primitive neuroectodermal tumor, and one desmoplastic small round cell tumor). HER2-CAR T-cell infusions were well tolerated with no dose-limiting toxicity. At dose level 3 (1 × 10 5 /m 2 ) and above, we detected HER2-CAR T cells 3 hours after infusion by quantitative polymerase chain reaction in 14 of 16 patients. HER2-CAR T cells persisted for at least 6 weeks in seven of the nine evaluable patients who received greater than 1 × 10 6 /m 2 HER2-CAR T cells (P = .005). HER2-CAR T cells were detected at tumor sites of two of two patients examined. Of 17 evaluable patients, four had stable disease for 12 weeks to 14 months. Three of these patients had their tumor removed, with one showing ≥ 90% necrosis. The median overall survival of all 19 infused patients was 10.3 months (range, 5.1 to 29.1 months). Conclusion This first evaluation of the safety and efficacy of HER2-CAR T cells in patients with cancer shows the cells can persist for 6 weeks without evident toxicities, setting the stage for studies that combine HER2-CAR T cells with other immunomodulatory approaches to enhance their expansion and persistence.

Importance

 Glioblastoma is an incurable tumor, and the therapeutic options for patients are limited. 

Objective

 To determine whether the systemic administration of HER2-specific chimeric antigen receptor (CAR)–modified virus-specific T cells (VSTs) is safe and whether these cells have antiglioblastoma activity. 

Design, Setting, and Participants

 In this open-label phase 1 dose-escalation study conducted at Baylor College of Medicine, Houston Methodist Hospital, and Texas Children’s Hospital, patients with progressive HER2-positive glioblastoma were enrolled between July 25, 2011, and April 21, 2014. The duration of follow-up was 10 weeks to 29 months (median, 8 months). 

Interventions

 Monotherapy with autologous VSTs specific for cytomegalovirus, Epstein-Barr virus, or adenovirus and genetically modified to express HER2-CARs with a CD28.ζ-signaling endodomain (HER2-CAR VSTs). 

Main Outcomes and Measures

 Primary end points were feasibility and safety. The key secondary end points were T-cell persistence and their antiglioblastoma activity. 

Results

 A total of 17 patients (8 females and 9 males; 10 patients ≥18 years [median age, 60 years; range, 30-69 years] and 7 patients <18 years [median age, 14 years; range, 10-17 years]) with progressive HER2-positive glioblastoma received 1 or more infusions of autologous HER2-CAR VSTs (1 × 10⁶/m²to 1 × 10⁸/m²) without prior lymphodepletion. Infusions were well tolerated, with no dose-limiting toxic effects. HER2-CAR VSTs were detected in the peripheral blood for up to 12 months after the infusion by quantitative real-time polymerase chain reaction. Of 16 evaluable patients (9 adults and 7 children), 1 had a partial response for more than 9 months, 7 had stable disease for 8 weeks to 29 months, and 8 progressed after T-cell infusion. Three patients with stable disease are alive without any evidence of progression during 24 to 29 months of follow-up. For the entire study cohort, median overall survival was 11.1 months (95% CI, 4.1-27.2 months) from the first T-cell infusion and 24.5 months (95% CI, 17.2-34.6 months) from diagnosis. 

Conclusions and Relevance

 Infusion of autologous HER2-CAR VSTs is safe and can be associated with clinical benefit for patients with progressive glioblastoma. Further evaluation of HER2-CAR VSTs in a phase 2b study is warranted as a single agent or in combination with other immunomodulatory approaches for glioblastoma.

In preclinical models of glioblastoma, antigen escape variants can lead to tumor recurrence after treatment with CAR T cells that are redirected to single tumor antigens. Given the heterogeneous expression of antigens on glioblastomas, we hypothesized that a bispecific CAR molecule would mitigate antigen escape and improve the antitumor activity of T cells. Here, we created a CAR that joins a HER2-binding scFv and an IL13Rα2-binding IL-13 mutein to make a tandem CAR exodomain (TanCAR) and a CD28.ζ endodomain. We determined that patient TanCAR T cells showed distinct binding to HER2 or IL13Rα2 and had the capability to lyse autologous glioblastoma. TanCAR T cells exhibited activation dynamics that were comparable to those of single CAR T cells upon encounter of HER2 or IL13Rα2. We observed that TanCARs engaged HER2 and IL13Rα2 simultaneously by inducing HER2-IL13Rα2 heterodimers, which promoted superadditive T cell activation when both antigens were encountered concurrently. TanCAR T cell activity was more sustained but not more exhaustible than that of T cells that coexpressed a HER2 CAR and an IL13Rα2 CAR, T cells with a unispecific CAR, or a pooled product. In a murine glioblastoma model, TanCAR T cells mitigated antigen escape, displayed enhanced antitumor efficacy, and improved animal survival. Thus, TanCAR T cells show therapeutic potential to improve glioblastoma control by coengaging HER2 and IL13Rα2 in an augmented, bivalent immune synapse that enhances T cell functionality and reduces antigen escape.

Targeted T cells are emerging as effective non-toxic therapies for cancer. Multiple elements, however, contribute to the overall pathogenesis of cancer through both distinct and redundant mechanisms. Hence, targeting multiple cancer-specific markers simultaneously could result in better therapeutic efficacy. We created a functional chimeric antigen receptor-the TanCAR, a novel artificial molecule that mediates bispecific activation and targeting of T cells. We demonstrate the feasibility of cumulative integration of structure and docking simulation data using computational tools to interrogate the design and predict the functionality of such a complex bispecific molecule. Our prototype TanCAR induced distinct T cell reactivity against each of two tumor restricted antigens, and produced synergistic enhancement of effector functions when both antigens were simultaneously encountered. Furthermore, the TanCAR preserved the cytolytic ability of T cells upon loss of one of the target molecules and better controlled established experimental tumors by recognition of both targets in an animal disease model. This proof-of-concept approach can be used to increase the specificity of effector cells for malignant versus normal target cells, to offset antigen escape or to allow for targeting the tumor and its microenvironment.Molecular Therapy-Nucleic Acids (2013) 2, e105; doi:10.1038/mtna.2013.32; published online 9 July 2013.

Preclinical and early clinical studies have demonstrated that chimeric antigen receptor (CAR)-redirected T cells are highly promising in cancer therapy. We observed that targeting HER2 in a glioblastoma (GBM) cell line results in the emergence of HER2-null tumor cells that maintain the expression of nontargeted tumor-associated antigens. Combinational targeting of these tumor-associated antigens could therefore offset this escape mechanism. We studied the single-cell coexpression patterns of HER2, IL-13Rα2, and EphA2 in primary GBM samples using multicolor flow cytometry and immunofluorescence, and applied a binomial routine to the permutations of antigen expression and the related odds of complete tumor elimination. This mathematical model demonstrated that cotargeting HER2 and IL-13Rα2 could maximally expand the therapeutic reach of the T cell product in all primary tumors studied. Targeting a third antigen did not predict an added advantage in the tumor cohort studied. We therefore generated bispecific T cell products from healthy donors and from GBM patients by pooling T cells individually expressing HER2 and IL-13Rα2-specific CARs and by making individual T cells to coexpress both molecules. Both HER2/IL-13Rα2-bispecific T cell products offset antigen escape, producing enhanced effector activity in vitro immunoassays (against autologous glioma cells in the case of GBM patient products) and in an orthotopic xenogeneic murine model. Further, T cells coexpressing HER2 and IL-13Rα2-CARs exhibited accentuated yet antigen-dependent downstream signaling and a particularly enhanced antitumor activity.