Highlights•We generated and annotated an extensive dataset of AML cell surface proteins•We designed an algorithm to identify candidate CAR targets•We defined six criteria for combinatorial pairing of CAR targets•We identified target combinations fulfilling stringent criteria for CAR therapySummaryChimeric antigen receptor (CAR) therapy targeting CD19 has yielded remarkable outcomes in patients with acute lymphoblastic leukemia. To identify potential CAR targets in acute myeloid leukemia (AML), we probed the AML surfaceome for overexpressed molecules with tolerable systemic expression. We integrated large transcriptomics and proteomics datasets from malignant and normal tissues, and developed an algorithm to identify potential targets expressed in leukemia stem cells, but not in normal CD34+CD38− hematopoietic cells, T cells, or vital tissues. As these investigations did not uncover candidate targets with a profile as favorable as CD19, we developed a generalizable combinatorial targeting strategy fulfilling stringent efficacy and safety criteria. Our findings indicate that several target pairings hold great promise for CAR therapy of AML.

Targeted immunotherapy in acute myeloid leukemia (AML) is challenged by the lack of AML-specific target antigens and clonal heterogeneity, leading to unwanted on-target off-leukemia toxicity and risk of relapse from minor clones. We hypothesize that combinatorial targeting of AML cells can enhance therapeutic efficacy without increasing toxicity. To identify target antigen combinations specific for AML and leukemic stem cells, we generated a detailed protein expression profile based on flow cytometry of primary AML (n = 356) and normal bone marrow samples (n = 34), and a recently reported integrated normal tissue proteomic data set. We analyzed antigen expression levels of CD33, CD123, CLL1, TIM3, CD244 and CD7 on AML bulk and leukemic stem cells at initial diagnosis (n = 302) and relapse (n = 54). CD33, CD123, CLL1, TIM3 and CD244 were ubiquitously expressed on AML bulk cells at initial diagnosis and relapse, irrespective of genetic characteristics. For each analyzed target, we found additional expression in different populations of normal hematopoiesis. Analyzing the coexpression of our six targets in all dual combinations (n = 15), we found CD33/TIM3 and CLL1/TIM3 to be highly positive in AML compared with normal hematopoiesis and non-hematopoietic tissues. Our findings indicate that combinatorial targeting of CD33/TIM3 or CLL1/TIM3 may enhance therapeutic efficacy without aggravating toxicity in immunotherapy of AML.