Synergistic effect of novel HDAC inhibitors with chemotherapy drugs in acute myeloid leukemia

Abstract

Acute myeloid leukemia (AML) is a highly heterogeneous malignant disease characterized by uncontrolled proliferation, differentiation arrest and accumulation of immature myeloid progenitors. Despite recent developments and the approval of new therapeutic agents in the last few years, outcome remains poor for most patients, particularly in elderly patients, being an urgent unmet need for therapeutic improvements. After rigorous studies, our group identified and characterized two novel HDACi (histone deacetylases inhibitors), CM-444 and CM-1758, exhibiting higher capacity to promote in vitro and in vivo myeloid differentiation in all subtypes of AML at low non-cytotoxic doses in comparison with commercial HDACi. The acetylome analysis after CM-444 and CM-1758 treatment showed the modulation of a specific non-histone protein acetylation pattern in AML cells. CM-444 and CM-1758 led to acetylation of bromodomain proteins (BRDs), especially BRD4 and BRD1, and other non-histone proteins involved in the enhancer-promoter chromatin regulatory complex. This is essential to enhance the expression of key transcription factors that induce myeloid differentiation and play a very important role in the differentiation therapy exerted by CM-444 or CM-1758 in AML cells. Interestingly, the complete transcriptome analysis after CM-444 and CM-1758 treatment showed changes in genes implicated in chemo-sensitivity, suggesting that CM-444 and CM-1758 could also enhance the efficacy of conventional chemotherapy for AML treatment. CM-444 and CM-1758 led to promising synergistic effect in combination with Doxorubicin and 5-AZA agents in vitro. Moreover, a slight improvement on Doxorubicin treatment was obtained in those AML cells that were previously induced to overexpress the chemo-sensitive gene ALOX5. Proposing that ALOX5 overexpression induced by CM-444 and CM-1758 is one of the possible molecular mechanisms underlying the synergistic effect previously obtained between HDACi (CM-444 and CM-1758) and Doxorubicin or 5-AZA. In summary, on the one hand these new epigenetic compounds might be an effective differentiation-based therapy with a novel mechanism to be tested in AML. And on the other hand, these novels HDACi could also be combined with therapeutic agents to improve their therapeutic effect, in part due to chemo-sensitive gene expression induced by the compounds themselves.

La leucemia mieloide aguda (LMA) es una enfermedad clonal heterogénea caracterizada por una rápida proliferación de precursores mieloides que han perdido su capacidad de diferenciación. A pesar de los recientes avances y la aprobación de nuevos agentes terapéuticos en los últimos años, el pronóstico sigue siendo pobre para la mayoría de los pacientes, especialmente para aquellos de edad avanzada, lo que supone una necesidad urgente de mejoras terapéuticas. En este sentido, tras realizar una serie de estudios, nuestro grupo identificó y caracterizó dos nuevos HDACi (inhibidores de las desacetilasas de histonas), el CM-444 y el CM-1758, que presentan una mayor capacidad para promover la diferenciación mieloide in vitro e in vivo en todos los subtipos de LMA a dosis bajas no citotóxicas en comparación con los HDACi comerciales. El análisis del acetiloma tras el tratamiento con CM-444 y CM-1758 mostró la modulación de un patrón específico de acetilación de proteínas no histónicas en las células de la LMA. El CM-444 y el CM-1758 provocaron la acetilación de e bromodominios (BRD), especialmente BRD4 y BRD1, y de otras proteínas no histónicas implicadas en el complejo regulador potenciador-promotor de la cromatina. Esto es esencial para potenciar la expresión de factores de transcripción clave que inducen la diferenciación mieloide y desempeñan un papel muy importante en la terapia de diferenciación ejercida por el CM-444 o el CM-1758 en las células de la LMA. De forma interesante, el análisis completo del transcriptoma tras el tratamiento con CM-444 y CM-1758 mostró cambios en los genes implicados en la quimiosensibilidad celular, lo que sugiere que CM-444 y CM-1758 también podrían mejorar la eficacia de la quimioterapia convencional para el tratamiento de la LMA. El CM-444 y el CM-1758 provocaron in vitro un prometedor efecto sinérgico en combinación con los agentes Doxorubicina y 5-AZA. Además, se obtuvo una ligera mejora en el tratamiento con Doxorrubicina en aquellas células de LMA a las que se les indujo previamente la sobreexpresión del gen quimiosensible ALOX5. Lo que propone que la sobreexpresión de ALOX5 inducida por CM-444 y CM-1758 es uno de los posibles mecanismos moleculares que subyacen al efecto sinérgico obtenido previamente entre los HDACi (CM-444 y CM-1758) y la Doxorrubicina o 5-AZA. En resumen, por un lado, estos nuevos compuestos epigenéticos podrían ser una terapia eficaz basada en la terapia de diferenciación con un mecanismo novedoso para ser probados en la LMA. Y por otro lado, estos novedosos HDACi también podrían combinarse con agentes terapéuticos para mejorar su efecto terapéutico, en parte debido a la expresión génica quimiosensible inducida por los propios compuestos.