Abstract During mouse cytomegalovirus (CMV) infection, a population of Ly49H+ natural killer (NK) cells expands and is responsible for disease clearance through the induction of a “memory NK-cell response.” Whether similar events occur in human CMV infection is unknown. In the present study, we characterized the kinetics of the NK-cell response to CMV reactivation in human recipients after hematopoietic cell transplantation. During acute infection, NKG2C+ NK cells expanded and were potent producers of IFNγ. NKG2C+ NK cells predominately expressed killer cell immunoglobulin–like receptor, and self-killer cell immunoglobulin–like receptors were required for robust IFNγ production. During the first year after transplantation, CMV reactivation induced a more mature phenotype characterized by an increase in CD56dim NK cells. Strikingly, increased frequencies of NKG2C+ NK cells persisted and continued to increase in recipients who reactivated CMV, whereas these cells remained at low frequency in recipients without CMV reactivation. Persisting NKG2C+ NK cells lacked NKG2A, expressed CD158b, preferentially acquired CD57, and were potent producers of IFNγ during the first year after transplantation. Recipients who reactivated CMV also expressed higher amounts of IFNγ, T-bet, and IL-15Rα mRNA transcripts. Our findings support the emerging concept that CMV-induced innate memory-cell populations may contribute to malignant disease relapse protection and infectious disease control long after transplantation.

Abstract Killer-cell immunoglobulin-like receptor (KIR) genes form a diverse, immunogenetic system. Group A and B KIR haplotypes have distinctive centromeric (Cen) and telomeric (Tel) gene-content motifs. Aiming to develop a donor selection strategy to improve transplant outcome, we compared the contribution of these motifs to the clinical benefit conferred by B haplotype donors. We KIR genotyped donors from 1409 unrelated transplants for acute myelogenous leukemia (AML; n = 1086) and acute lymphoblastic leukemia (ALL; n = 323). Donor KIR genotype influenced transplantation outcome for AML but not ALL. Compared with A haplotype motifs, centromeric and telomeric B motifs both contributed to relapse protection and improved survival, but Cen-B homozygosity had the strongest independent effect. With Cen-B/B homozygous donors the cumulative incidence of relapse was 15.4% compared with 36.5% for Cen-A/A donors (relative risk of relapse 0.34; 95% confidence interval 0.2-0.57; P < .001). Overall, significantly reduced relapse was achieved with donors having 2 or more B gene-content motifs (relative risk 0.64; 95% confidence interval 0.48-0.86; P = .003) for both HLA-matched and mismatched transplants. KIR genotyping of several best HLA-matched potential unrelated donors should substantially increase the frequency of transplants by using grafts with favorable KIR gene content. Adopting this practice could result in superior disease-free survival for patients with AML.

Key Points Activated NK cells loose CD16 (FcRγIII) and CD62L through a metalloprotease called ADAM17. Inhibition of ADAM17 enhances CD16 mediated NK cell function by preserving CD16 on the NK cell surface to enhance ADCC.

Abstract Survival for patients with acute myeloid leukemia (AML) is limited by treatment-related mortality (TRM) and relapse after unrelated donor (URD) hematopoietic cell transplantation (HCT). Natural killer (NK)–cell alloreactivity, determined by donor killer-cell immunoglobulin-like receptors (KIRs) and recipient HLA, correlates with successful HCT for AML. Hypothesizing that donor KIR genotype (A/A: 2 A KIR haplotypes; B/x: at least 1 B haplotype) would affect outcomes, we genotyped donors and recipients from 209 HLA-matched and 239 mismatched T-replete URD transplantations for AML. Three-year overall survival was significantly higher after transplantation from a KIR B/x donor (31% [95% CI: 26-36] vs 20% [95% CI: 13-27]; P = .007). Multivariate analysis demonstrated a 30% improvement in the relative risk of relapse-free survival with B/x donors compared with A/A donors (RR: 0.70 [95% CI: 0.55-0.88]; P = .002). B/x donors were associated with a higher incidence of chronic graft-versus-host disease (GVHD; RR: 1.51 [95% CI: 1.01-2.18]; P = .03), but not of acute GVHD, relapse, or TRM. This analysis demonstrates that unrelated donors with KIR B haplotypes confer significant survival benefit to patients undergoing T-replete HCT for AML. KIR genotyping of prospective donors, in addition to HLA typing, should be performed to identify HLA-matched donors with B KIR haplotypes.

Natural killer (NK) cells derived from patients with cancer exhibit diminished cytotoxicity compared with NK cells from healthy individuals. We evaluated the tumor response and in vivo expansion of allogeneic NK cells in recurrent ovarian and breast cancer.Patients underwent a lymphodepleting preparative regimen: fludarabine 25 mg/m(2) × 5 doses, cyclophosphamide 60 mg/kg × 2 doses, and, in seven patients, 200 cGy total body irradiation (TBI) to increase host immune suppression. An NK cell product, from a haplo-identical related donor, was incubated overnight in 1000 U/mL interleukin (IL)-2 prior to infusion. Subcutaneous IL-2 (10 MU) was given three times/week × 6 doses after NK cell infusion to promote expansion, defined as detection of ≥100 donor-derived NK cells/μL blood 14 days after infusion, based on molecular chimerism and flow cytometry.Twenty (14 ovarian, 6 breast) patients were enrolled. The median age was 52 (range 30-65) years. Mean NK cell dose was 2.16 × 10(7)cells/kg. Donor DNA was detected 7 days after NK cell infusion in 9/13 (69%) patients without TBI and 6/7 (85%) with TBI. T-regulatory cells (Treg) were elevated at day +14 compared with pre-chemotherapy (P = 0.03). Serum IL-15 levels increased after the preparative regimen (P = <0.001). Patients receiving TBI had delayed hematologic recovery (P = 0.014). One patient who was not evaluable had successful in vivo NK cell expansion.Adoptive transfer of haplo-identical NK cells after lymphodepleting chemotherapy is associated with transient donor chimerism and may be limited by reconstituting recipient Treg cells. Strategies to augment in vivo NK cell persistence and expansion are needed.

Haploidentical natural killer (NK) cell infusions can induce remissions in some patients with acute myeloid leukemia (AML) but regulatory T-cell (Treg) suppression may reduce efficacy. We treated 57 refractory AML patients with lymphodepleting cyclophosphamide and fludarabine followed by NK cell infusion and interleukin (IL)-2 administration. In 42 patients, donor NK cell expansion was detected in 10%, whereas in 15 patients receiving host Treg depletion with the IL-2-diphtheria fusion protein (IL2DT), the rate was 27%, with a median absolute count of 1000 NK cells/μL blood. IL2DT was associated with improved complete remission rates at day 28 (53% vs 21%; P = .02) and disease-free survival at 6 months (33% vs 5%; P < .01). In the IL2DT cohort, NK cell expansion correlated with higher postchemotherapy serum IL-15 levels (P = .002), effective peripheral blood Treg depletion (<5%) at day 7 (P < .01), and decreased IL-35 levels at day 14 (P = .02). In vitro assays demonstrated that Tregs cocultured with NK cells inhibit their proliferation by competition for IL-2 but not for IL-15. Together with our clinical observations, this supports the need to optimize the in vivo cytokine milieu where adoptively transferred NK cells compete with other lymphocytes to improve clinical efficacy in patients with refractory AML. This study is registered at clinicaltrials.gov, identifiers: NCT00274846 and NCT01106950.

Key Points Single-agent IL-15/IL-15Rα-Fc (ALT-803) therapy was well tolerated and resulted in clinical responses in patients who relapsed post-HCT. First-in-human use of ALT-803 promoted NK and CD8+ T-cell expansion and activation in vivo without stimulating regulatory T cells.

Abstract We have previously shown that NKG2C+ NK cells from CMV naive umbilical cord blood grafts expand preferentially in recipients after CMV reactivation, representing a primary NK cell response after hematopoietic cell transplantation. In this study, recipients of adult donor hematopoietic cell transplantation were assessed to evaluate the role of donor/recipient CMV serostatus on the expression and function of NKG2C+ NK cells to determine responses to secondary CMV events. Expansion of NKG2C+ NK cells was seen following clinical CMV reactivation. However, they also expanded in the absence of detectable CMV viremia when both the donor and recipient were CMV seropositive. Upregulation of NKG2C was observed in NK cells from CMV-positive recipients receiving grafts from CMV-seropositive or -seronegative donors. These in vivo–expanded NKG2C+ NK cells had an increased capacity for target cell–induced cytokine production, expressed an inhibitory killer Ig-like receptor for self-HLA and preferentially acquired CD57. Most importantly, NKG2C+ NK cells transplanted from seropositive donors exhibit heightened function in response to a secondary CMV event compared with NKG2C+ NK cells from seronegative donors. We conclude that NKG2C+ memory-like NK cells are transplantable and require active or latent (subclinical) expression of CMV Ag in the recipient for clonal expansion of NK cells previously exposed to CMV in the donor.

Abstract Purpose: The effectiveness of NK cell infusions to induce leukemic remission is limited by lack of both antigen specificity and in vivo expansion. To address the first issue, we previously generated a bispecific killer engager (BiKE) containing single-chain scFv against CD16 and CD33 to create an immunologic synapse between NK cells and CD33+ myeloid targets. We have now incorporated a novel modified human IL15 crosslinker, producing a 161533 trispecific killer engager (TriKE) to induce expansion, priming, and survival, which we hypothesize will enhance clinical efficacy. Experimental Design: Reagents were tested in proliferation and functional assays and in an in vivo xenograft model of AML. Results: When compared with the 1633 BiKE, the 161533 TriKE induced superior NK cell cytotoxicity, degranulation, and cytokine production against CD33+ HL-60 targets and increased NK survival and proliferation. Specificity was shown by the ability of a 1615EpCAM TriKE to kill CD33-EpCAM+ targets. Using NK cells from patients after allogeneic stem cell transplantation when NK cell function is defective, the 161533 TriKE restored potent NK function against primary AML targets and induced specific NK cell proliferation. These results were confirmed in an immunodeficient mouse HL-60-Luc tumor model where the 161533 TriKE exhibited superior antitumor activity and induced in vivo persistence and survival of human NK cells for at least 3 weeks. Conclusions: Off-the-shelf 161533 TriKE imparts antigen specificity and promotes in vivo persistence, activation, and survival of NK cells. These qualities are ideal for NK cell therapy of myeloid malignancies or targeting antigens of solid tumors. Clin Cancer Res; 22(14); 3440–50. ©2016 AACR. See related commentary by Talmadge, p. 3419