Lymphodepletion chemotherapy followed by infusion of CD19-targeted chimeric antigen receptor-modified T (CAR-T) cells can be complicated by neurologic adverse events (AE) in patients with refractory B-cell malignancies. In 133 adults treated with CD19 CAR-T cells, we found that acute lymphoblastic leukemia, high CD19+ cells in bone marrow, high CAR-T cell dose, cytokine release syndrome, and preexisting neurologic comorbidities were associated with increased risk of neurologic AEs. Patients with severe neurotoxicity demonstrated evidence of endothelial activation, including disseminated intravascular coagulation, capillary leak, and increased blood-brain barrier (BBB) permeability. The permeable BBB failed to protect the cerebrospinal fluid from high concentrations of systemic cytokines, including IFNγ, which induced brain vascular pericyte stress and their secretion of endothelium-activating cytokines. Endothelial activation and multifocal vascular disruption were found in the brain of a patient with fatal neurotoxicity. Biomarkers of endothelial activation were higher before treatment in patients who subsequently developed grade ≥4 neurotoxicity.Significance: We provide a detailed clinical, radiologic, and pathologic characterization of neurotoxicity after CD19 CAR-T cells, and identify risk factors for neurotoxicity. We show endothelial dysfunction and increased BBB permeability in neurotoxicity and find that patients with evidence of endothelial activation before lymphodepletion may be at increased risk of neurotoxicity. Cancer Discov; 7(12); 1404-19. ©2017 AACR.See related commentary by Mackall and Miklos, p. 1371This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1355.

Lymphodepletion chemotherapy followed by infusion of CD19-specific chimeric antigen receptor-modified (CAR) T cells has produced impressive antitumor responses in patients with refractory CD19+ B-cell malignancies but is often associated with cytokine release syndrome (CRS). Our understanding of CRS continues to evolve, and identification of the kinetics of CRS and predictive clinical and laboratory biomarkers of severity are needed to evaluate strategies to mitigate toxicity. We report the clinical presentation of and identify biomarkers of severe CRS in 133 adult patients who received CD19 CAR T cells. CRS developed in 70% of patients, including 62.5% with grade 1 to 3 CRS (grade 1, 26%; grade 2, 32%; grade 3, 4.5%), 3.8% with grade 4, and 3.8% with grade 5. A majority of cases of grade ≥4 CRS occurred during CAR T-cell dose finding. Multivariable analysis of baseline characteristics identified high marrow tumor burden, lymphodepletion using cyclophosphamide and fludarabine, higher CAR T-cell dose, thrombocytopenia before lymphodepletion, and manufacturing of CAR T cells without selection of CD8+ central memory T cells as independent predictors of CRS. Severe CRS was characterized by hemodynamic instability, capillary leak, and consumptive coagulopathy. Angiopoietin-2 and von Willebrand factor, which are biomarkers of endothelial activation, were increased during severe CRS and also before lymphodepletion in patients who subsequently developed CRS. We describe a classification-tree algorithm to guide studies of early intervention after CAR T-cell infusion for patients at high risk of severe CRS. These data provide a framework for early intervention studies to facilitate safer application of effective CD19 CAR T-cell therapy.

The firm adhesion and transplatelet migration of leukocytes on vascular thrombus are both dependent on the interaction of the leukocyte integrin, Mac-1, and a heretofore unknown platelet counterreceptor. Here, we identify the platelet counterreceptor as glycoprotein (GP) Ibα, a component of the GP Ib-IX-V complex, the platelet von Willebrand factor (vWf) receptor. THP-1 monocytic cells and transfected cells that express Mac-1 adhered to GP Ibα–coated wells. Inhibition studies with monoclonal antibodies or receptor ligands showed that the interaction involves the Mac-1 I domain (homologous to the vWf A1 domain), and the GP Ibα leucine-rich repeat and COOH-terminal flanking regions. The specificity of the interaction was confirmed by the finding that neutrophils from wild-type mice, but not from Mac-1–deficient mice, bound to purified GP Ibα and to adherent platelets, the latter adhesion being inhibited by pretreatment of the platelets with mocarhagin, a protease that specifically cleaves GP Ibα. Finally, immobilized GP Ibα supported the rolling and firm adhesion of THP-1 cells under conditions of flow. These observations provide a molecular target for disrupting leukocyte–platelet complexes that promote vascular inflammation in thrombosis, atherosclerosis, and angioplasty-related restenosis.

Inflammation and thrombosis are two responses that are linked through a number of mechanisms, one of them being the complement system. Various proteins of the complement system interact specifically with platelets, which, in turn, activates them and promotes thrombosis. In this paper, we show that the converse is also true: activated platelets can activate the complement system. As assessed by flow cytometry and immunoblotting, C3 deposition increased on the platelet surface upon cell activation with different agonists. Activation of the complement system proceeded to its final stages, which was marked by the increased generation of the anaphylotoxin C3a and the C5b-9 complex. We identified P-selectin as a C3b-binding protein, and confirmed by surface plasmon resonance binding that these two proteins interact specifically with a dissociation constant of 1 microM. Using heterologous cells expressing P-selectin, we found that P-selectin alone is sufficient to activate the complement system, marked by increases in C3b deposition, C3a generation, and C5b-9 formation. In summary, we have found that platelets are capable of activating the complement system, and have identified P-selectin as a receptor for C3b capable of initiating complement activation. These findings point out an additional mechanism by which inflammation may localize to sites of vascular injury and thrombosis.

Arterial blood flow enhances glycoprotein Ibα (GPIbα) binding to vWF, which initiates platelet adhesion to injured vessels. Mutations in the vWF A1 domain that cause type 2B von Willebrand disease (vWD) reduce the flow requirement for adhesion. Here we show that increasing force on GPIbα/vWF bonds first prolonged ("catch") and then shortened ("slip") bond lifetimes. Two type 2B vWD A1 domain mutants, R1306Q and R1450E, converted catch bonds to slip bonds by prolonging bond lifetimes at low forces. Steered molecular dynamics simulations of GPIbα dissociating from the A1 domain suggested mechanisms for catch bonds and their conversion by the A1 domain mutations. Catch bonds caused platelets and GPIbα-coated microspheres to roll more slowly on WT vWF and WT A1 domains as flow increased from suboptimal levels, explaining flow-enhanced rolling. Longer bond lifetimes at low forces eliminated the flow requirement for rolling on R1306Q and R1450E mutant A1 domains. Flowing platelets agglutinated with microspheres bearing R1306Q or R1450E mutant A1 domains, but not WT A1 domains. Therefore, catch bonds may prevent vWF multimers from agglutinating platelets. A disintegrin and metalloproteinase with a thrombospondin type 1 motif–13 (ADAMTS-13) reduced platelet agglutination with microspheres bearing a tridomain A1A2A3 vWF fragment with the R1450E mutation in a shear-dependent manner. We conclude that in type 2B vWD, prolonged lifetimes of vWF bonds with GPIbα on circulating platelets may allow ADAMTS-13 to deplete large vWF multimers, causing bleeding.

Abstract Protein S (PS), the critical plasma cofactor for the anticoagulants tissue factor (TF) pathway inhibitor (TFPI) and activated protein C (APC), circulates in two functionally distinct pools: free (anticoagulant) or bound to complement component 4b-binding protein (C4BP) (anti-inflammatory). Acquired free PS deficiency is detected in several viral infections, but its cause is unclear. Here, we identified a shear-dependent interaction between PS and von Willebrand Factor (VWF) by mass spectrometry. Consistently, plasma PS and VWF comigrated in both native and agarose gel electrophoresis. The PS/VWF interaction was blocked by TFPI but not APC, suggesting an interaction with the C-terminal sex hormone binding globulin (SHBG) region of PS. Microfluidic systems, mimicking arterial laminar flow or disrupted turbulent flow, demonstrated that PS stably binds VWF as VWF unfolds under turbulent flow. PS/VWF complexes also localized to platelet thrombi under laminar arterial flow. In thrombin generation-based assays, shearing plasma decreased PS activity, an effect not seen in the absence of VWF. Finally, free PS deficiency in COVID-19 patients, measured using an antibody that binds near the C4BP binding site in SHBG, correlated with changes in VWF, but not C4BP, and with thrombin generation. Our data suggest that PS binds to a shear-exposed site on VWF, thus sequestering free PS and decreasing its anticoagulant activity, which would account for the increased thrombin generation potential. As many viral infections present with free PS deficiency, elevated circulating VWF, and increased vascular shear, we propose that the PS/VWF interaction reported here is a likely contributor to virus-associated thrombotic risk. Key Points Von Willebrand Factor (VWF) binds Protein S (PS) in a shear-dependent manner, reducing the free PS pool and its anticoagulant activity. The PS/VWF complex forms under turbulent flow conditions, is stable in whole blood, and localizes to growing platelet thrombi.