Abstract CD19-specific chimeric antigen receptor (CAR) T-cell therapy is highly effective against relapsed or refractory acute lymphoblastic leukemia (ALL), but is hindered by neurotoxicity. In 53 adult patients with ALL, we found a significant association of severe neurotoxicity with high pretreatment disease burden, higher peak CAR T-cell expansion, and early and higher elevations of proinflammatory cytokines in blood. Patients with severe neurotoxicity had evidence of blood–cerebrospinal fluid (CSF) barrier disruption correlating with neurotoxicity grade without association with CSF white blood cell count or CAR T-cell quantity in CSF. Proinflammatory cytokines were enriched in CSF during severe neurotoxicity with disproportionately high levels of IL6, IL8, MCP1, and IP10, suggesting central nervous system–specific production. Seizures, seizure-like activity, myoclonus, and neuroimaging characteristics suggested excitatory neurotoxicity, and we found elevated levels of endogenous excitatory agonists in CSF during neurotoxicity. Significance: We detail the neurologic symptoms and blood, CSF, and neuroimaging correlates of neurotoxicity associated with CD19 CAR T cells and identify neurotoxicity risk factors. Our findings implicate cellular components other than T cells and suggest novel links between systemic inflammation and characteristic neurotoxicity symptoms. Cancer Discov; 8(8); 958–71. ©2018 AACR. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 899

Adoptive cell transfer (ACT) of purified naive, stem cell memory, and central memory T cell subsets results in superior persistence and antitumor immunity compared with ACT of populations containing more-differentiated effector memory and effector T cells. Despite a clear advantage of the less-differentiated populations, the majority of ACT trials utilize unfractionated T cell subsets. Here, we have challenged the notion that the mere presence of less-differentiated T cells in starting populations used to generate therapeutic T cells is sufficient to convey their desirable attributes. Using both mouse and human cells, we identified a T cell-T cell interaction whereby antigen-experienced subsets directly promote the phenotypic, functional, and metabolic differentiation of naive T cells. This process led to the loss of less-differentiated T cell subsets and resulted in impaired cellular persistence and tumor regression in mouse models following ACT. The T memory-induced conversion of naive T cells was mediated by a nonapoptotic Fas signal, resulting in Akt-driven cellular differentiation. Thus, induction of Fas signaling enhanced T cell differentiation and impaired antitumor immunity, while Fas signaling blockade preserved the antitumor efficacy of naive cells within mixed populations. These findings reveal that T cell subsets can synchronize their differentiation state in a process similar to quorum sensing in unicellular organisms and suggest that disruption of this quorum-like behavior among T cells has potential to enhance T cell-based immunotherapies.