Identification of Therapeutic Vulnerabilities in Acute Lymphoblastic Leukemia: From Single Drug Screening to Novel Synergistic Combinations

Die jüngsten Fortschritte in der Behandlung haben das Gesamtüberleben von Kindern mit akuter lymphoblastischer Leukämie (ALL) verbessert. Dennoch erleiden 20 % der Kinder mit ALL Rückfälle, was die Notwendigkeit neuer zielgerichteter Behandlungsstrategien erhöht. Ein Empfindlichkeitsprofil wurde in ALL-Zelllinien (n=18) und patientenabgeleiteten Zellen (n=14) mit heterogenem genetischem Hintergrund unter Verwendung einer Wirkstoffbibliothek (n=46 Verbindungen) erstellt. Dies identifizierte neuartige Arzneimittelempfindlichkeitsmuster, wie z.B. für den H3K27me3-Demethylase-Inhibitor GSKJ4, dessen Empfindlichkeit mit der CREBBP-Expression im Kontext der Dexamethason-Resistenz korrelierte. In einem Screening von Wirkstoffkombinationen (n=12 Wirkstoffe) wurde Venetoclax als vielversprechendster Kombinationspartner identifiziert. Die höchsten synergistischen Effekte wurden bei der Kombination von Venetoclax mit dem CK2-Inhibitor Silmitasertib, dem PARP-Inhibitor Olaparib und dem MEK-Inhibitor Selumetinib beobachtet. Die Induktion von Apoptose und ein synergistischer Effekt wurden in zahlreichen BCP-ALL-Zelllinien, PDX und Primärproben validiert, wobei diese Kombination besonders wirksam in den venetoclax-resistentesten Proben war. Silmitasertib sensibilisierte die Zellen für Venetoclax durch die Induktion des MCL1-Proteasom-Abbaus über die Herabregulierung der AKT-Signalübertragung und die Hochregulierung der GSK3B-Aktivität. Ein neuartiges In-vivo-Zebrafisch-Embryomodell validierte die Wirksamkeit von Venetoclax und Silmitasertib sowie die Herabregulierung von MCL1. Insgesamt wurde eine Plattform für das Screening von Einzelwirkstoffen und Wirkstoffkombinationen vorgestellt, die neuartige Arzneimittelempfindlichkeitsmuster sowie vielversprechende synergistische Wirkstoffpartner identifizierte, die im Fall von Silmitasertib und Venetoclax funktionell charakterisiert und deren Wirkung in klinisch nahen Proben sowie in einem In-vivo-Zebrafischmodell validiert wurden.
Recent advances in treatment have improved overall survival for children with acute lymphoblastic leukemia (ALL). However, 20% of children with ALL still relapse, raising the need for the implementation of novel targeted treatment strategies. Drug sensitivity profiling was performed in ALL cell lines (n=18) and patient derived cells (n= 14) with heterogeneous genetic backgrounds using a candidate drug library (n=46 compounds). This identified novel drug sensitivity patterns such as for the H3K27me3 demethylase inhibitor GSKJ4, which sensitivity correlated to CREBBP expression in the context of dexamethasone resistance. In a drug combination screening (n=12 drugs), venetoclax was identified as the most promising combination partner. Highest synergistic effects where seen when combining venetoclax with CK2 inhibitor silmitasertib, PARP inhibitor Olaparib and MEK inhibitor selumetinib. Induction of apoptosis and a synergistic effect was validated across numerous BCP-ALL cell lines, patient derived xenografts (PDX) and primary samples, being particularly effective in the most venetoclax resistant samples. Silmitasertib sensitized cells to venetoclax by the induction of MCL1 proteasome degradation via downregulating AKT signaling and thus upregulating GSK3B activity. A novel in vivo zebrafish embryo model validated the effectivity of venetoclax and silmitasertib and MCL1 downregulation. Overall, a single drug and drug combination screening platform is presented, which identified novel drug sensitivity patterns as well as promising synergistic drug partners that, in the case of silmitasertib and venetoclax, were functionally characterized and its effect validated in clinically near samples as well as in an in vivo zebrafish model.