Chimeric antigen receptors (CARs) redirect T cell cytotoxicity against cancer cells, providing a promising approach to cancer immunotherapy. Despite extensive clinical use, the attributes of CAR co-stimulatory domains that impact persistence and resistance to exhaustion of CAR-T cells remain largely undefined. Here, we report the influence of signaling domains of coreceptors CD28 and 4-1BB on the metabolic characteristics of human CAR T cells. Inclusion of 4-1BB in the CAR architecture promoted the outgrowth of CD8+ central memory T cells that had significantly enhanced respiratory capacity, increased fatty acid oxidation and enhanced mitochondrial biogenesis. In contrast, CAR T cells with CD28 domains yielded effector memory cells with a genetic signature consistent with enhanced glycolysis. These results provide, at least in part, a mechanistic insight into the differential persistence of CAR-T cells expressing 4-1BB or CD28 signaling domains in clinical trials and inform the design of future CAR T cell therapies.

Successful tumor eradication by chimeric antigen receptor–expressing (CAR-expressing) T lymphocytes depends on CAR T cell persistence and effector function. We hypothesized that CD4+ and CD8+ T cells may exhibit distinct persistence and effector phenotypes, depending on the identity of specific intracellular signaling domains (ICDs) used to generate the CAR. First, we demonstrate that the ICOS ICD dramatically enhanced the in vivo persistence of CAR-expressing CD4+ T cells that, in turn, increased the persistence of CD8+ T cells expressing either CD28- or 4-1BB–based CARs. These data indicate that persistence of CD8+ T cells was highly dependent on a helper effect provided by the ICD used to redirect CD4+ T cells. Second, we discovered that combining ICOS and 4-1BB ICDs in a third-generation CAR displayed superior antitumor effects and increased persistence in vivo. Interestingly, we found that the membrane-proximal ICD displayed a dominant effect over the distal domain in third-generation CARs. The optimal antitumor and persistence benefits observed in third-generation ICOSBBz CAR T cells required the ICOS ICD to be positioned proximal to the cell membrane and linked to the ICOS transmembrane domain. Thus, CARs with ICOS and 4-1BB ICD demonstrate increased efficacy in solid tumor models over our current 4-1BB–based CAR and are promising therapeutics for clinical testing.

This study compared second-generation chimeric antigen receptors (CAR) encoding signaling domains composed of CD28, ICOS, and 4-1BB (TNFRSF9). Here, we report that certain CARs endow T cells with the ability to undergo long-term autonomous proliferation. Transduction of primary human T cells with lentiviral vectors encoding some of the CARs resulted in sustained proliferation for up to 3 months following a single stimulation through the T-cell receptor (TCR). Sustained numeric expansion was independent of cognate antigen and did not require the addition of exogenous cytokines or feeder cells after a single stimulation of the TCR and CD28. Results from gene array and functional assays linked sustained cytokine secretion and expression of T-bet (TBX21), EOMES, and GATA-3 to the effect. Sustained expression of the endogenous IL2 locus has not been reported in primary T cells. Sustained proliferation was dependent on CAR structure and high expression, the latter of which was necessary but not sufficient. The mechanism involves constitutive signaling through NF-κB, AKT, ERK, and NFAT. The propagated CAR T cells retained a diverse TCR repertoire, and cellular transformation was not observed. The CARs with a constitutive growth phenotype displayed inferior antitumor effects and engraftment in vivo. Therefore, the design of CARs that have a nonconstitutive growth phenotype may be a strategy to improve efficacy and engraftment of CAR T cells. The identification of CARs that confer constitutive or nonconstitutive growth patterns may explain observations that CAR T cells have differential survival patterns in clinical trials.