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.

Abstract Purpose: Although adoptive cell therapy can be highly effective for the treatment of patients with melanoma, the application of this approach to the treatment of other solid tumors has been limited. The observation that the cancer germline (CG) antigen NY-ESO-1 is expressed in 70% to 80% and in approximately 25% of patients with synovial cell sarcoma and melanoma, respectively, prompted us to perform this first-in-man clinical trial using the adoptive transfer of autologous peripheral blood mononuclear cells that were retrovirally transduced with an NY-ESO-1–reactive T-cell receptor (TCR) to heavily pretreated patients bearing these metastatic cancers. Experimental Design: HLA-*0201 patients with metastatic synovial cell sarcoma or melanoma refractory to standard treatments and whose cancers expressed NY-ESO-1 received autologous TCR-transduced T cells following a lymphodepleting preparative chemotherapy. Response rates using Response Evaluation Criteria in Solid Tumors (RECIST), as well as immunologic correlates of response, are presented in this report. Results: Eleven of 18 patients with NY-ESO-1+ synovial cell sarcomas (61%) and 11 of 20 patients with NY-ESO-1+ melanomas (55%) who received autologous T cells transduced with an NY-ESO-1–reactive TCR demonstrated objective clinical responses. The estimated overall 3- and 5-year survival rates for patients with synovial cell sarcoma were 38% and 14%, respectively, whereas the corresponding estimated survival rates for patients with melanoma were both 33%. Conclusions: The adoptive transfer of autologous T cells transduced with a retrovirus encoding a TCR against an HLA-A*0201 restricted NY-ESO-1 epitope can be an effective therapy for some patients bearing synovial cell sarcomas and melanomas that are refractory to other treatments. Clin Cancer Res; 21(5); 1019–27. ©2014 AACR.

Key Points Donor-derived anti-CD19-CAR T cells cause regressions of refractory malignancies after allogeneic transplantation.

Infusion of interleukin-12 (IL12) can mediate antitumor immunity in animal models, yet its systemic administration to patients with cancer results in minimal efficacy and severe toxicity. Here, we evaluated the antitumor activity of adoptively transferred human tumor-infiltrating lymphocytes (TILs) genetically engineered to secrete single-chain IL12 selectively at the tumor site.Thirty-three patients with metastatic melanoma were treated in a cell dose-escalation trial of autologous TILs transduced with a gene encoding a single-chain IL12 driven by a nuclear factor of the activated T cells promoter (NFAT.IL12). No IL2 was administered.The administration of 0.001 to 0.1 × 10(9) NFAT.IL12-transduced TILs to 17 patients resulted in a single, objective response (5.9%). However, at doses between 0.3 and 3 × 10(9) cells, 10 of 16 patients (63%) exhibited objective clinical responses. The responses tended to be short, and the administered IL12-producing cells rarely persisted at 1 month. Increasing cell doses were associated with high serum levels of IL12 and IFNγ as well as clinical toxicities, including liver dysfunction, high fevers, and sporadic life-threatening hemodynamic instability.In this first-in-man trial, administration of TILs transduced with an inducible IL12 gene mediated tumor responses in the absence of IL2 administration using cell doses 10- to 100-fold lower than conventional TILs. However, due to toxicities, likely attributable to the secreted IL12, further refinement will be necessary before this approach can be safely used in the treatment of cancer patients.