Tolerance to self-antigens prevents the elimination of cancer by the immune system1,2. We used synthetic chimeric antigen receptors (CARs) to overcome immunological tolerance and mediate tumor rejection in patients with chronic lymphocytic leukemia (CLL). Remission was induced in a subset of subjects, but most did not respond. Comprehensive assessment of patient-derived CAR T cells to identify mechanisms of therapeutic success and failure has not been explored. We performed genomic, phenotypic and functional evaluations to identify determinants of response. Transcriptomic profiling revealed that CAR T cells from complete-responding patients with CLL were enriched in memory-related genes, including IL-6/STAT3 signatures, whereas T cells from nonresponders upregulated programs involved in effector differentiation, glycolysis, exhaustion and apoptosis. Sustained remission was associated with an elevated frequency of CD27+CD45RO–CD8+ T cells before CAR T cell generation, and these lymphocytes possessed memory-like characteristics. Highly functional CAR T cells from patients produced STAT3-related cytokines, and serum IL-6 correlated with CAR T cell expansion. IL-6/STAT3 blockade diminished CAR T cell proliferation. Furthermore, a mechanistically relevant population of CD27+PD-1–CD8+ CAR T cells expressing high levels of the IL-6 receptor predicts therapeutic response and is responsible for tumor control. These findings uncover new features of CAR T cell biology and underscore the potential of using pretreatment biomarkers of response to advance immunotherapies. An IL-6/STAT3 signature and memory CD8 T cell subset in preinfusion chimeric antigen receptor–expressing T cells associate with response in patients with high-risk chronic lymphocytic leukemia.

We report a patient relapsing 9 months after CD19-targeted CAR T cell (CTL019) infusion with CD19– leukemia that aberrantly expressed the anti-CD19 CAR. The CAR gene was unintentionally introduced into a single leukemic B cell during T cell manufacturing, and its product bound in cis to the CD19 epitope on the surface of leukemic cells, masking it from recognition by and conferring resistance to CTL019. A CAR gene unintentionally introduced in a contaminating leukemia cell during the manufacturing of CAR T cells caused a patient to relapse after therapy.

Primary resistance to CD19-directed chimeric antigen receptor T-cell therapy (CART19) occurs in 10% to 20% of patients with acute lymphoblastic leukemia (ALL); however, the mechanisms of this resistance remain elusive. Using a genome-wide loss-of-function screen, we identified that impaired death receptor signaling in ALL led to rapidly progressive disease despite CART19 treatment. This was mediated by an inherent resistance to T-cell cytotoxicity that permitted antigen persistence and was subsequently magnified by the induction of CAR T-cell functional impairment. These findings were validated using samples from two CAR T-cell clinical trials in ALL, where we found that reduced expression of death receptor genes was associated with worse overall survival and reduced T-cell fitness. Our findings suggest that inherent dysregulation of death receptor signaling in ALL directly leads to CAR T-cell failure by impairing T-cell cytotoxicity and promoting progressive CAR T-cell dysfunction. SIGNIFICANCE: Resistance to CART19 is a significant barrier to efficacy in the treatment of B-cell malignancies. This work demonstrates that impaired death receptor signaling in tumor cells causes failed CART19 cytotoxicity and drives CART19 dysfunction, identifying a novel mechanism of antigen-independent resistance to CAR therapy.

Cellular immunotherapy using T cells engineered to express chimeric antigen receptors targeting CD19 (CART19) leads to long-term remission in patients with B-cell malignancies. Unfortunately, a significant fraction of patients demonstrate primary resistance to CART19 or experience relapse after achieving remission. Beyond loss of target antigen, the molecular pathways governing CART19 failure are unknown. Here we demonstrate that death receptors, cell surface signaling molecules that induce target cell apoptosis, are key mediators of leukemic resistance and CART19 failure. Using a functional CRISPR/Cas9-based genome-wide knockout screen in B-cell acute lymphoblastic leukemia (ALL), we identified the death receptor signaling pathway as a central regulator of sensitivity to CART19-induced cell death. In the absence of the pro-apoptotic death receptor signaling molecules BID or FADD, ALL cells were resistant to CART19 cytotoxicity, resulting in rapid disease progression in mice. We found that this initial resistance to cytotoxicity led to persistence of tumor cells, which drove the development of T cell dysfunction that further compromised anti-tumor immunity and permitted tumor outgrowth. We validated these findings using clinical samples collected from patients with ALL treated with CD19-targeted CAR T cells and found that expression of pro-apoptotic death receptor pathway genes in pre-treatment tumor samples correlated with CAR T cell expansion and persistence, as well as patient response and overall survival. Our findings indicate that tumor-intrinsic death receptor signaling directly contributes to CAR T cell failure.