Significance: Extensive research during the last quarter century has revealed that reactive oxygen species (ROS) produced in the body, primarily by the mitochondria, play a major role in various cell-signaling pathways. Most risk factors associated with chronic diseases (e.g., cancer), such as stress, tobacco, environmental pollutants, radiation, viral infection, diet, and bacterial infection, interact with cells through the generation of ROS. Recent Advances: ROS, in turn, activate various transcription factors (e.g., nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells [NF-κB], activator protein-1, hypoxia-inducible factor-1α, and signal transducer and activator of transcription 3), resulting in the expression of proteins that control inflammation, cellular transformation, tumor cell survival, tumor cell proliferation and invasion, angiogenesis, and metastasis. Paradoxically, ROS also control the expression of various tumor suppressor genes (p53, Rb, and PTEN). Similarly, γ-radiation and various chemotherapeutic agents used to treat cancer mediate their effects through the production of ROS. Interestingly, ROS have also been implicated in the chemopreventive and anti-tumor action of nutraceuticals derived from fruits, vegetables, spices, and other natural products used in traditional medicine. Critical Issues: These statements suggest both “upside” (cancer-suppressing) and “downside” (cancer-promoting) actions of the ROS. Thus, similar to tumor necrosis factor-α, inflammation, and NF-κB, ROS act as a double-edged sword. This paradox provides a great challenge for researchers whose aim is to exploit ROS stress for the development of cancer therapies. Future Directions: The various mechanisms by which ROS mediate paradoxical effects are discussed in this article. The outstanding questions and future directions raised by our current understanding are discussed. Antioxid. Redox Signal. 16, 1295–1322.

Autologous chimeric antigen receptor (CAR) T cell therapies targeting CD19 have high efficacy in large B cell lymphomas (LBCLs), but long-term remissions are observed in less than half of patients, and treatment-associated adverse events, such as immune effector cell-associated neurotoxicity syndrome (ICANS), are a clinical challenge. We performed single-cell RNA sequencing with capture-based cell identification on autologous axicabtagene ciloleucel (axi-cel) anti-CD19 CAR T cell infusion products to identify transcriptomic features associated with efficacy and toxicity in 24 patients with LBCL. Patients who achieved a complete response by positron emission tomography/computed tomography at their 3-month follow-up had three-fold higher frequencies of CD8 T cells expressing memory signatures than patients with partial response or progressive disease. Molecular response measured by cell-free DNA sequencing at day 7 after infusion was significantly associated with clinical response (P = 0.008), and a signature of CD8 T cell exhaustion was associated (q = 2.8 × 10−149) with a poor molecular response. Furthermore, a rare cell population with monocyte-like transcriptional features was associated (P = 0.0002) with high-grade ICANS. Our results suggest that heterogeneity in the cellular and molecular features of CAR T cell infusion products contributes to variation in efficacy and toxicity after axi-cel therapy in LBCL, and that day 7 molecular response might serve as an early predictor of CAR T cell efficacy. Single-cell transcriptomics reveals that the heterogeneity of anti-CD19 CAR T cell infusion products contributes to variability in clinical response, early molecular response and development of immune effector cell-associated neurotoxicity syndrome in patients with large B cell lymphomas.