Targeting van het metabolisme als alternatieve therapie in patiënten met acute myeloïde leukemie

Patiënten met acute myeloïde leukemie (AML) hebben, ondanks de huidige behandelmethoden, een slechte prognose met overlevingskansen van 10-60%. Ondanks het feit dat de meeste patiënten in remissie zijn na de behandeling krijgt een grote groep patiënten te maken met terugkeer van de ziekte. Dit komt doordat de therapie alleen de delende cellen raakt maar niet de infrequent delende leukemische stamcellen. Om dit probleem aan te kunnen pakken is het van essentieel belang om de moleculaire mechanismen van deze leukemische stamcellen te karakteriseren.
AML wordt veroorzaakt door een opeenstapeling van een aantal mutaties waardoor verschillende cellulaire processen zoals celdeling, differentiatie en overleving verstoord worden. In de laatste jaren is het duidelijk geworden dan ook de energiehuishouding (ook wel metabolisme genoemd) veranderd is in kankercellen ten opzichte van gezonde cellen. In ons laboratorium hebben we in de afgelopen jaren veel onderzoek gedaan naar het metabolisme van AML cellen in vergelijking met gezonde CD34+ stam/progenitor cellen. Uit deze studies is gebleken dat er niet 1 universeel metabool programma actief is in AML cellen, maar dat er duidelijke verschillen bestaan tussen individuele patiënten voor wat betreft hun metabole programma. Deze verschillen zijn gekoppeld aan specifieke mutaties in het DNA. We zien dat AML patiënten met FLT3-ID mutaties een sterke mitochondriële oxidatieve phosphorylering hebben, wat wil zeggen dat ze actief hun mitochondriën gebruiken voor energieproductie. Daarentegen zien we dat AML patiënten zonder deze FLT3-ITD mutaties juist meer gedreven worden door de glycolyse. Deze cellen zijn ook gekenmerkt door hoge expressie van het enzym Pyruvate dehydrogenase kinase 1 (PDK1). PDK1 fungeert als “poortwachter” van de glycolyse omdat het Pyruvate dehydrogenase inactiveert, waardoor pyruvaat omgezet wordt in lactaat, en niet in Acetyl-CoA wat als startpunt geldt voor de citroenzuurcyclus en uiteindelijk mitochondriële energieproductie. We hebben ontdekt dat het blokkeren van PDK1 activiteit in glycolytische cellen met veel PDK1 leidt tot een veranderd metabool programma en de mitochondriële activiteit sterk toeneemt.  Dit laatste leidt tot een sterke verhoging van reactieve zuurstofradicalen en uiteindelijk celdood. In een subset van AML patiënten wordt deze sterke gevoeligheid voor PDK1 waargenomen, zowel in vitro maar ook in onze preklinische AML muizenmodellen in vivo, maar in gezonde normale CD34+ stam/progenitor cellen niet.
Een 2e aspect waarin AML cellen verschillen is in hun afhankelijkheid van bepaalde specifieke aminozuren voor hun overleving. Het wegvangen van arginine en methionine bleek erg toxisch te zijn voor AML cellen en veel minder voor gezonde normale CD34+ stam/progenitor cellen. Wellicht heeft dit te maken met verschillen in recycling routes die effectief door normale cellen gebruikt kunnen worden, maar niet door AML cellen, hetgeen in detail onderzocht zal worden in dit project voorstel. Onze nieuwe inzichten in de verschillen in metabole processen tussen gezonde and AML stam/progenitor cellen vormt een solide basis voor de studies in dit deze studie. Het is gebleken dat metabole profielen ook erg kunnen verschillen tussen patiënten onderling, wellicht gekoppeld aan hun specifieke DNA mutaties, en we zullen dus ook naar patiënt-specifieke behandelmethoden toe moeten werken om AML effectiever te kunnen behandelen, hetgeen een belangrijke focus is van de hier voorgestelde studies.

De volgende aspecten zullen in dit onderzoeksvoorstel belicht worden:
- in een panel van 36 primaire AML patiënten samples waarin alle belangrijke genetische subgroepen vertegenwoordigd zijn zal het metabole profiel vastgesteld worden. Daarnaast zal er een screen gedaan worden met 9 metabole inhibitors. Van alle 36 AML samples zal tevens het kwantitatieve proteome beschikbaar zijn (dus het gehele eiwitexpressie profiel). Zo gaan we in kaart brengen welke inhibitors effectief zijn in welke specifieke AML samples, maar ook in welke AML samples bepaalde drugs dus minder effectief zijn. Door deze informatie te koppelen aan expressie profielen hopen weer inzicht te krijgen in de onderliggende mechanismen.
-we zullen ook op zoek gaan naar combinatie therapieën omdat in voorgaande studies is gebleken dat het targetten van alleen het metaboloom al wel sterke effecten laat zien, maar nog niet heeft kunnen leiden tot een complete genezing van AML in onze muizenmodellen.
-we zullen ontrafelen welke AML samples het meeste baat hebben bij een dieet waarin methionine wordt weggelaten, en welke onderliggende moleculaire mechanismen hieraan ten grondslag liggen.
-om onze inzichten in een eerste stap richting de kliniek te brengen zullen we een exploratieve kleine trial gaan doen waarin 5 AML patiënten op een methionine depletie dieet gezet zullen worden. Doel van deze studie is "safety" (kan dit veilig worden gedaan) en daarnaast zal gekeken worden of methionine spiegels (en andere aanverwante metabolieten) inderdaad voldoende verlaagd kunnen worden in deze patiënten.

Aan het eind van dit project zullen weer meer inzicht hebben verkregen in de verschillen in metabolisme tussen AML en gezonde CD34+ stam/progenitor cels, en ook in de verschillen in metabolisme tussen AML patiënten onderling. Het zal duidelijk worden welke onderliggende moleculaire mechanismen hieraan ten grondslag liggen. (Combinaties van) metabole inhibitors en methionine depletie diëten zullen zijn getest, en na deze studies zal het duidelijk zijn welke behandelingen het meest effectief zijn in welk AML subtype, hetgeen getest zal worden in vitro maar ook in vivo in onze preklinische muizenmodellen. Uiteindelijk hopen we dat onze inzichten alternatieve behandelmethoden gaan opleveren waarmee AML patiënten effectiever behandeld zullen kunnen gaan worden.