Immunometabolic interplay in chronic myeloid leukemia: From immunosuppression to synergistic lethality
Immunmetabolisches Zusammenspiel bei chronisch myeloischer Leukämie: Von der Immunsuppression zur synergistischen Letalität
Creators: name: Häselbarth, Lukas
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2023

description: Chronic myeloid leukemia (CML) is a myeloproliferative disorder that is widely treated with tyrosine kinase inhibitors (TKIs) like imatinib, dasatinib, and nilotinib, targeting the ATP (adenosine triphosphate)‐binding pocket of the BCR::ABL1 fusion protein. TKIs do not only target CML cells but also affect ABL1 (Abelson murine leukemia viral oncogene homolog 1)‐positive normal cells including T cells as an off‐target effect. T cell function is central to immune reconstitution and control of residual CML cells after treatment initiation and is associated with achieving deep molecular response (DMR) as a prerequisite for treatment free remission (TFR), the ultimate therapeutic goal in CML. Since imatinib, dasatinib, and nilotinib have shown to inhibit T cell function, I tested asciminib, the first‐in‐class BCR::ABL1 fusion protein inhibitor specifically targeting the ABL myristoyl pocket (STAMP) and compared its off‐target effects on T cell function with the other TKIs. Whereas all four TKIs inhibited the expression of the co‐stimulatory protein CD28, the amino acid transporter CD98, proliferation, and secretion of pro‐inflammatory cytokines IFNγ, IL‐6, and IL‐17A upon T cell stimulation, asciminib had less impact on the programmed cell death protein 1 (PD‐1), activation markers, and IL‐2 secretion. T cells treated with asciminib and the other TKIs maintained their ability to mobilize their respiratory capacity and glycolytic reserve, which is an important surrogate for metabolic fitness and flexibility. Overall, I found milder inhibitory effects of asciminib on T cell activation, which might be beneficial for the immunological control of residual CML cells. In a further approach, I looked for vulnerabilities of CML cell lines for different metabolic inhibitors in combination with TKIs since preliminary studies have shown that targeting oxidative phosphorylation (oxPhos) and the unfolded protein response (UPR) are promising therapeutic approaches to complement CML treatment. I tested the combinatory lethality of different TKIs with the ATP‐synthase‐inhibitor oligomycin and the ER‐stress inducer thapsigargin on the CML cell lines K562, BV173, and KU812 and found a significant increase of cell death. Both, oligomycin and thapsigargin, triggered the upregulation of UPRproteins as a potential survival mechanism of CML cells. This upregulation was inhibited by imatinib. I observed comparable effects on cell death when combining TKIs with the ATP‐synthase inhibitor 8‐chloroadenosine (8‐Cl‐Ado) as a potentially clinical applicable therapeutic agent. Stress‐related apoptosis was triggered via the cleavage of caspase 3 and the inactivation of poly ADP ribose polymerase 1 (PARP1). Inhibition of PARP by olaparib also increased the CML cell death in combination with TKIs. My findings suggest a rationale for combining TKIs with 8‐Cl‐Ado or olaparib for future clinical studies in CML.
description: Die chronisch myeloische Leukämie (CML) ist eine myeloproliferative Erkrankung, die mit Tyrosinkinase-Inhibitoren (TKIs) wie Imatinib, Dasatinib und Nilotinib behandelt wird, welche an die ATP (Adenosintriphosphat)-Bindungstasche des BCR::ABL1-Fusionsproteins binden. TKIs sind nicht nur gegen CML-Zellen gerichtet, sondern beeinflussen als Off-Target-Effekt auch ABL1 (Abelson Maus Leukämie Virus Onkogen Homolog 1)-positive normale Zellen, einschließlich T-Zellen. Die T-Zell-Funktion ist von zentraler Bedeutung für die Immunrekonstitution und die Kontrolle verbleibender CML-Zellen nach Beginn der Behandlung. Dabei ist sie mit dem Erreichen einer tiefen molekularen Reaktion (DMR) als Voraussetzung für die behandlungsfreie Remission (TFR), dem ultimativen Therapieziel bei CML, verbunden. Da Imatinib, Dasatinib und Nilotinib nachweislich die T-Zell-Funktion hemmen, habe ich Asciminib, den ersten spezifisch an die Myristoyl-Tasche bindenden BCR::ABL1-Fusionsprotein-Inhibitor seiner Klasse getestet und seine Off-Target-Effekte auf die T-Zell-Funktion mit den anderen TKIs verglichen. Während alle vier TKIs die Expression des kostimulierenden Proteins CD28, des Aminosäuretransporters CD98, die Proliferation und die Sekretion der pro-inflammatorischen Zytokine IFNγ, IL-6 und IL-17A unter T-Zell-Stimulation hemmten, hatte Asciminib weniger Einfluss auf die Expression des programmierten Zelltodproteins 1 (PD-1), Aktivierungsmarker und die IL-2-Sekretion. Die mit Asciminib und den anderen TKIs behandelten T-Zellen behielten die Fähigkeit, ihre Atmungskapazität und glykolytische Reserve zu mobilisieren, was wichtig für deren metabolische Fitness und Flexibilität ist. Insgesamt fand ich eine mildere Hemmung der T-Zell-Aktivierung durch Asciminib, was für die immunologische Kontrolle verbleibender CML-Zellen von Vorteil sein könnte. In einem weiteren Ansatz suchte ich nach Anfälligkeiten von CML-Zelllinien für verschiedene metabolische Inhibitoren in Kombination mit TKIs. Dabei haben vorangegangene Studien gezeigt, dass therapeutische Ansätze, die gegen die oxidative Phosphorylierung (oxPhos) und die ungefaltete Proteinantwort (UPR) gerichtet sind, vielversprechende Ergänzungen der CML-Behandlung sind. Ich habe die kombinatorische Letalität verschiedener TKIs mit dem ATP-Synthase-Inhibitor Oligomycin und dem ER-Stress-Erzeuger Thapsigargin an den CML-Zelllinien K562, BV173 und KU812 getestet und einen signifikanten Anstieg des Zelltods festgestellt. Sowohl Oligomycin als auch Thapsigargin bewirkten eine Hochregulierung von UPR-Proteinen als potenziellen Überlebensmechanismus der CML-Zellen. Diese Hochregulierung wurde durch Imatinib gehemmt. Vergleichbare Effekte auf den Zelltod konnte ich bei der Kombination von TKIs mit dem ATP-Synthase-Inhibitor 8-Chloroadenosin (8-Cl-Ado) als potenziell klinisch anwendbarem Therapeutikum beobachten. Die stressbedingte Apoptose wurde durch die Spaltung von Caspase 3 und die Inaktivierung der Poly-ADP-Ribose-Polymerase 1 (PARP1) ausgelöst. Die Hemmung von PARP durch Olaparib erhöhte ebenfalls in Kombination mit den TKIs den CML-Zelltod. Auf Basis meiner Ergebnisse erscheint die Kombination von TKIs mit 8-Cl-Ado oder Olaparib in zukünftigen klinischen Studien zu CML vielversprechend.