Harnessing redox homeostasis to target chemoresistant T cells

Rewiring of tumour metabolism and reactive oxygen species (ROS) homeostasis are critical hallmarks of cancer. Cancer cells exhibit a higher setpoint of intracellular ROS and rely on increased activity of scavenging pathways to maintain ROS levels below the threshold that triggers cell death. Resistance to glucocorticoid (GC)-based chemotherapy represents a major hurdle to the successful treatment of patients with T-cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL). GC resistance has been linked to several genetic/metabolic alterations, including constitutive activation of the mTOR pathway and activation of NRF2, a redox-regulated transcription factor. Despite the continuous improvement of treatments for patients with T-ALL, new strategies must be found for those who do not respond to standard chemotherapy. Our recent studies provided evidence that the mTOR pathway play a central role in rewiring redox homeostasis in T-ALL cells. Experiments on resistant T-ALL cell lines, primary samples, and patient-derived T-ALL xenografts (PDX) demonstrated that the mTORC1 inhibitor Everolimus increases ROS levels and lipid peroxidation. Interestingly, the blockade of the mTOR pathway reduced the half-life of the G6PD protein, the key enzyme of the Pentose Phosphate Pathway, reduced level of NADPH, and killed T-ALL cells while sparing normal T cells. ROS scavengers attenuated these effects and were phenocopied by siRNA-mediated silencing of the mTORC1 cofactor, Raptor, and G6PD. In vivo studies conducted in NOD/SCID mice inoculated with refractory T-ALL PDX confirmed the results. Our studies have uncovered a crucial link between mTOR pathway activation, G6PD expression, and ROS homeostasis in T-ALL cells. These findings provide mechanistic evidence to support the combination of glucocorticoids with mTOR inhibitors as a potential treatment for GC-resistant T-ALL. Furthermore we show that Verapamil, a calcium antagonist used in the treatment of supraventricular tachyarrhythmias, enhances the effects of Everolimus on ROS and cell death in T-ALL cells. The Verapamil-Everolimus combination induced a significant reduction in G6PD levels. Studies in NOD/SCID mice inoculated with refractory PDX T-ALL cells showed that adding Verapamil to the Everolimus Dexamethasone combination significantly reduced the rate of tumor growth in vivo. Taken together, our results provide a rationale for repurposing Verapamil in association with mTORC inhibitors and GC to treat refractory T-ALL.

Alterazioni a carico del metabolismo cellulare e dell'omeostasi delle specie reattive dell'ossigeno (ROS) sono caratteristiche frequentemente riscontrabili in vari tipi di cancro. Le cellule tumorali, infatti, pur avendo livelli intracellulari basali di ROS più elevati rispetto alle cellule normali, sono in grado di mantenerli al di sotto della soglia tossica di morte grazie a una maggiore attività delle vie di detossificazione. Sulla base di questa osservazione, l’aumento dei livelli di ROS oltre tale soglia potrebbe rappresentare una strategia interessante per colpire selettivamente le cellule tumorali. Tuttavia, tali effetti anti-tumorali rischiano di essere attenuati dall’attivazione del fattore di trascrizione NRF2, sensibile ai ROS, che promuove l’attività delle vie antiossidanti. Nel contesto della leucemia linfoblastica acuta a cellule T (T-ALL), nonostante i trattamenti per i pazienti siano in continuo miglioramento, è necessario trovare nuove strategie per coloro che non rispondono alla chemioterapia standard. Le cellule di pazienti T-ALL spesso mostrano un'attivazione costitutiva del bersaglio meccanicistico della via della rapamicina (mTOR) che, sulla base dei nostri studi, ha dimostrato avere un ruolo centrale anche nel mantenimento dell'omeostasi redox delle cellule T-ALL, rappresentando quindi un potenziale target farmacologico. Esperimenti condotti in vitro su linee cellulari resistenti al desametasone e campioni primari da pazienti o patient-derived xenograft (PDX) hanno, infatti, dimostrato come l'inibitore di mTORC1 everolimus aumenti i livelli di ROS e la perossidazione lipidica, così come riduca l’emivita della proteina glucosio 6-fosfato deidrogenasi (G6PD), enzima chiave del ciclo dei pentoso fosfato, e la quantità di NADPH cellulare, portando a morte selettiva delle cellule leucemiche e rispetto alle cellule T normali, che vengono risparmiate. Il coinvolgimento della via di mTOR nella modulazione dell’omeostasi redox è comprovato dalla mitigazione dell’attività delle vie antiossidanti da parte del silenziamento del cofattore di mTORC1, Raptor, e di G6PD. Studi in vivo condotti su topi NOD/SCID inoculati con PDX da pazienti T-ALL hanno confermato quanto osservato in vitro. Questi risultati dimostrano, quindi, l’esistenza di un collegamento cruciale tra l’attivazione della via mTOR, l’espressione della G6PD e l’omeostasi dei ROS nel modello T-ALL. Questi risultati forniscono prove meccanicistiche a sostegno dell’utilità di combinare i glucocorticoidi (GC), come ad esempio desametasone, con inibitori di mTOR come potenziale trattamento per le T-ALL resistenti. Inoltre, abbiamo dimostrato come verapamil, un calcio antagonista utilizzato nel trattamento delle tachiaritmie sopraventricolari, potenzi gli effetti di everolimus sui ROS e sulla morte cellulare in cellule T-ALL. La combinazione verapamil+everolimus, infatti, induce una significativa riduzione dei livelli di G6PD, aumento di ROS e morte cellulare. Studi condotti su topi NOD/SCID inoculati con cellule T-ALL PDX refrattarie ai GC hanno dimostrato come l’aggiunta di verapamil alla combinazione everolimus+desametasone sia in grado di ridurre significativamente il tasso di crescita del tumore in vivo. In conclusione, i nostri risultati forniscono una motivazione per riproporre verapamil in associazione con inibitori di mTORC e GC per il trattamento delle T-ALL refrattarie.