A redox-based strategy to overcome Acute Myeloid Leukemia resistance to Venetoclax

INTRODUCTION. Acute Myeloid Leukemia (AML) is the most common form of acute leukemia in adults and accounts for 61% of total leukemia deaths. The standard therapy for AML patients is represented by first-line induction chemotherapy with cytarabine and daunorubicin. Patients who are “unfit” for high doses of chemotherapy are treated with hypomethylating agents, such as 5-azacitidine, in combination with Venetoclax, a BCL2 inhibitor. Unfortunately, most AML patients develop resistance to Venetoclax, resulting in clinical relapse. In this scenario, new strategies to overcome resistance to Venetoclax are currently needed. AIM OF THE STUDY. This study was aimed at testing a new pharmaceutical strategy, which selectively sensitizes leukemic cells to Venetoclax by exploiting their vulnerability to alterations in redox homeostasis. MATERIALS AND METHODS. Experiments were performed on AML cell lines and on primary samples isolated from bone marrow or peripheral blood from AML patients. AML cells were treated with increasing doses of Venetoclax combined with dehydroepiandrosterone (DHEA), a compound that inhibits the enzyme glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PD), leading to the inhibition of NADPH production, the consequent impairment of reactive oxygen species (ROS) scavenging pathways, and a sustained increase of ROS levels. Primary AML cells were cultivated for one (short-term) to four (long-term) weeks and treated with Venetoclax+DHEA or Venetoclax+5-azacitidine, which is the gold standard for the treatment of “unfit” AML patients. Cell death and mitochondrial ROS accumulation were evaluated by flow cytometry. RESULTS. Data showed that DHEA enhanced the pro-apoptotic effect of Venetoclax in AML cell lines and in the majority of primary samples. The increase in leukemic cell death correlated with a significant increase in mitochondrial ROS levels in “sensitizable” cells, but not in “refractory” cells. Moreover, long-term culture experiments on primary AML samples highlighted the long-lasting anti-leukemic effect of Venetoclax+DHEA, which contrasted with the rapid onset of resistance in cultures treated with Venetoclax+5-Azacitidine. DISCUSSION AND CONCLUSION. Results indicate that rewiring redox homeostasis in AML could be a promising strategy to enhance the efficacy of Venetoclax, allowing the selective elimination of leukemic cells using lower doses of Venetoclax, and lowering the risk of resistance and relapse.

INTRODUZIONE. La Leucemia Mieloide Acuta (AML) è la forma più comune di leucemia acuta nella popolazione adulta ed è responsabile della percentuale più elevata (61%) di decessi da leucemia. La terapia standard utilizzata in pazienti affetti da AML consiste in un trattamento chemioterapico di induzione con citarabina e daunorubicina. Tuttavia, i pazienti che non siano considerati idonei per dosi elevate di chemioterapia vengono trattati con agenti ipometilanti, come la 5-azacitidina, in combinazione con Venetoclax, un inibitore di BCL2. Purtroppo, la maggior parte dei pazienti sviluppano resistenza al Venetoclax e vanno incontro a recidiva dopo il trattamento. In questo contesto, è necessario sviluppare nuove strategie per superare la resistenza delle cellule di AML a Venetoclax. OBIETTIVO DELLO STUDIO. Questo studio mira a testare una nuova strategia farmacologica che, sfruttando la vulnerabilità delle cellule tumorali ad alterazioni dell'omeostasi redox, sensibilizzi selettivamente le cellule leucemiche a Venetoclax. MATERIALI E METODI. Tutti gli esperimenti sono stati condotti su linee cellulari di AML e su campioni primari isolati dal midollo osseo o dal sangue periferico di pazienti affetti da AML. Le cellule di AML sono state trattate con dosi crescenti di Venetoclax in combinazione con deidroepiandrosterone (DHEA), un composto che inibendo l’enzima glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD), porta al blocco della produzione di NADPH con conseguente alterazione delle vie di eliminazione delle specie reattive dell'ossigeno (ROS) e aumento stabile dei livelli di ROS. I campioni primari di AML sono stati coltivati per una (esperimenti a breve termine) o per quattro settimane (esperimenti a lungo termine) e trattati con Venetoclax+DHEA o con Venetoclax+5-Azacitidina, che rappresenta la terapia standard utilizzata nei pazienti inadatti alla chemioterapia intensiva. La morte cellulare e l'accumulo di ROS mitocondriali sono stati valutati mediante citofluorimetria. RISULTATI. I dati ottenuti mostrano come il DHEA aumenti l’effetto pro-mortale del Venetoclax nei confronti delle cellule leucemiche nella maggior parte dei campioni. Tale aumento della morte cellulare correla con un aumento significativo dei livelli di ROS mitocondriali nei campioni definiti “sensibilizzabili”, ma non nei campioni “refrattari”. Inoltre, gli esperimenti a lungo termine hanno evidenziato la durabilità dell’effetto antileucemico di Venetoclax+DHEA, a differenza della rapida insorgenza di resistenza nelle colture trattate con Venetoclax+Azacitidina. DISCUSSIONE E CONCLUSIONE. I risultati indicano che l'alterazione dell'omeostasi redox nelle AML potrebbe rappresentare una strategia terapeutica promettente per aumentare l'efficacia di Venetoclax, permettendo l'eliminazione selettiva di cellule leucemiche a dosi inferiori di Venetoclax e riducendo il rischio sviluppare resistenza o di recidiva.