Cytokine-induced differentiation of memory-like natural killer cells enhances antileukemia responses.

Natural killer (NK) cells are lymphocytes that play an important role in the immune response to infection and malignancy. Recent studies in mice have shown that stimulation of NK cells with cytokines or in the context of a viral infection results in memory-like properties. We hypothesized that human NK cells exhibit such memory-like properties with an enhanced recall response after cytokine preactivation. In the present study, we show that human NK cells preactivated briefly with cytokine combinations including IL-12, IL-15, and IL-18 followed by a 7- to 21-day rest have enhanced IFN-γ production after restimulation with IL-12 + IL-15, IL-12 + IL-18, or K562 leukemia cells. This memory-like phenotype was retained in proliferating NK cells. In CD56(dim) NK cells, the memory-like IFN-γ response was correlated with the expression of CD94, NKG2A, NKG2C, and CD69 and a lack of CD57 and KIR. Therefore, human NK cells have functional memory-like properties after cytokine activation, which provides a novel rationale for integrating preactivation with combinations of IL-12, IL-15, and IL-18 into NK cell immunotherapy strategies.

NK cells, lymphocytes of the innate immune system, are important for defense against infectious pathogens and cancer. Classically, the CD56dim NK cell subset is thought to mediate antitumor responses, whereas the CD56bright subset is involved in immunomodulation. Here, we challenge this paradigm by demonstrating that brief priming with IL-15 markedly enhanced the antitumor response of CD56bright NK cells. Priming improved multiple CD56bright cell functions: degranulation, cytotoxicity, and cytokine production. Primed CD56bright cells from leukemia patients demonstrated enhanced responses to autologous blasts in vitro, and primed CD56bright cells controlled leukemia cells in vivo in a murine xenograft model. Primed CD56bright cells from multiple myeloma (MM) patients displayed superior responses to autologous myeloma targets, and furthermore, CD56bright NK cells from MM patients primed with the IL-15 receptor agonist ALT-803 in vivo displayed enhanced ex vivo functional responses to MM targets. Effector mechanisms contributing to IL-15-based priming included improved cytotoxic protein expression, target cell conjugation, and LFA-1-, CD2-, and NKG2D-dependent activation of NK cells. Finally, IL-15 robustly stimulated the PI3K/Akt/mTOR and MEK/ERK pathways in CD56bright compared with CD56dim NK cells, and blockade of these pathways attenuated antitumor responses. These findings identify CD56bright NK cells as potent antitumor effectors that warrant further investigation as a cancer immunotherapy.

Natural killer (NK) cells are effector lymphocytes that are under clinical investigation for the adoptive immunotherapy of hematologic malignancies, especially acute myeloid leukemia. Recent work in mice has identified innate memory-like properties of NK cells. Human NK cells also exhibit memory-like properties, and cytokine-induced memory-like (CIML) NK cells are generated via brief preactivation with IL-12, IL-15, and IL-18, which later exhibit enhanced functionality upon restimulation. However, the optimal cytokine receptors and signals for maintenance of enhanced function and homeostasis after preactivation remain unclear. Here, we show that IL-12, IL-15, and IL-18 preactivation induces a rapid and prolonged expression of CD25, resulting in a functional high-affinity IL-2 receptor (IL-2Rαβγ) that confers responsiveness to picomolar concentrations of IL-2. The expression of CD25 correlated with STAT5 phosphorylation in response to picomolar concentrations of IL-2, indicating the presence of a signal-competent IL-2Rαβγ. Furthermore, picomolar concentrations of IL-2 acted synergistically with IL-12 to costimulate IFN-γ production by preactivated NK cells, an effect that was CD25 dependent. Picomolar concentrations of IL-2 also enhanced NK cell proliferation and cytotoxicity via the IL-2Rαβγ. Further, after adoptive transfer into immunodeficient NOD-SCID-γc(-/-) mice, human cytokine-preactivated NK cells expand preferentially in response to exogenous IL-2. Collectively, these data demonstrate that human CIML NK cells respond to IL-2 via IL-2Rαβγ with enhanced survival and functionality, and they provide additional rationale for immunotherapeutic strategies that include brief cytokine preactivation before adoptive NK cell transfer, followed by low-dose IL-2 therapy.