Drug Combination May Target the Unique Metabolism of Leukemia Stem Cells

December 14, 2018, by NCI Staff

Two recent NCI-funded studies may explain why the combination of two cancer therapies is effective against acute myeloid leukemia (AML). The drugs work together to target cancer stem cells, a subset of cells that are thought to give rise to all other cancer cells.

Specifically, the studies showed, the drugs venetoclax (Venclexta) and azacitidine (Vidaza) team up to block the unique metabolism of leukemia stem cells.

Cancer stem cells possess two key properties: the indefinite ability to make copies of themselves, and the ability to give rise to other variations of cancer cells. Because of these characteristics, these specialized cells are thought to be mainly responsible for the initiation, growth, spread, and recurrence of cancer.

Treatments that don't kill cancer stem cells are like "pulling a weed and not getting the root," explained lead investigator Craig Jordan, Ph.D., of the University of Colorado School of Medicine. "Of course it is going to come back," he said. Dr. Jordan and his team, among other researchers, are studying ways to target cancer stem cells.

"If you want to target cancer stem cells specifically, you have to find their unique properties," said Steven Hou, Ph.D., head of NCI's Stem Cell Regulation and Animal Aging Section, who was not involved in the studies.

One characteristic that sets cancer stem cells apart is their metabolism—that is, the way they use fuel to create energy. In recent years, researchers have found that cancer stem cells from multiple tumor types rely on one kind of metabolism, called oxidative phosphorylation, more than any other method.

Using samples of cells from people with AML who were treated with the venetoclax–azacitidine combination as part of a clinical trial, Dr. Jordan and his colleagues discovered that the treatment cut off the leukemia stem cells' fuel for oxidative phosphorylation.

These findings show "for the first time that a therapeutic intervention can eradicate [leukemia stem cells] in patients with AML by disrupting … energy metabolism," the researchers wrote.

Cancer Stem Cell Metabolism

Leukemia cells rely on a protein called BCL-2 for survival. In previous laboratory experiments, Dr. Jordan and his team discovered that blocking BCL-2 killed leukemia stem cells by interfering with oxidative phosphorylation.

And in an early-phase clinical trial, azacitidine plus venetoclax—a drug that inhibits BCL-2—eliminated all traces of disease in 73% of elderly patients with newly diagnosed AML. Some patients were still responding to the treatment more than a year later.

The frequency and durability of these responses are "remarkably impressive," said Ravi Majeti, M.D., Ph.D., a leukemia expert at Stanford University who was not involved in these studies.

Dr. Jordan and his colleagues had a hunch that the effectiveness of the experimental treatment might reflect its ability to target leukemia stem cells.

In one of the new studies, published November 12 in Nature Medicine, the researchers examined samples of AML cells from 33 participants of the aforementioned clinical trial. As a control, they also examined the responses of 88 people with AML to other therapies, such as standard chemotherapy. Among these patients, 85% in the venetoclax plus azacitidine group and 51% in the control group had a complete response.

They found that the combination treatment, but not chemotherapy, disrupted oxidative phosphorylation and rapidly killed leukemia stem cells. The researchers distinguished leukemia stem cells from regular leukemia cells by the presence or absence of certain molecules. The combination treatment also killed regular leukemia cells, but not healthy blood stem cells.

From laboratory experiments, the researchers found that only the combination of venetoclax and azacitidine disrupted oxidative phosphorylation and killed leukemia stem cells; neither drug on its own had the same effects.

Cutting Off the Fuel Source

In the companion study, published November 12 in Cancer Cell, Dr. Jordan and his colleagues investigated the metabolism of leukemia stem cells in greater detail.

Using leukemia stem cell samples from three participants of the venetoclax clinical trial, the team found that the combination treatment depleted amino acids, molecules that can be used as fuel for energy metabolism.

Follow-up studies of cancer cells isolated from people newly diagnosed with AML revealed that these leukemia stem cells depended exclusively on amino acids as fuel for oxidative phosphorylation. In the absence of amino acids, the leukemia stem cells were unable to switch to other methods of metabolism or sources of fuel, the researchers found.

By contrast, amino acid deprivation did not greatly affect the growth and survival of healthy blood stem cells and regular cancer cells from the same patients.

These findings suggest that leukemia stem cells from newly diagnosed AML are less "metabolically flexible" than other cells, Dr. Jordan explained. Because they cannot adapt when their preferred fuel source is cut off, the cells die.

But leukemia stem cells from other patients with AML could be different from those in this study, Dr. Hou noted. Variation, or heterogeneity, in the make-up of cancer cells might mean that some people’s leukemia stem cells can switch to other metabolic methods and survive the treatment, he explained.

Leukemia Stem Cells after Relapse

Although venetoclax plus azacitidine seems to be effective for older people with AML who have not received prior treatment for their cancer, other clinical trials have shown that this combination is not very active in people with AML that has come back (relapsed) or did not respond to previous treatment (refractory).

Dr. Jordan's team reasoned that the metabolism of leukemia stem cells in these patients may be different, such that they are no longer vulnerable to the effects of venetoclax and azacitidine.

Indeed, treatment with venetoclax plus azacitidine did not kill leukemia stem cells from patients with relapsed disease, they found. And, compared with leukemia stem cells from previously untreated patients, those from relapsed patients were less dependent on amino acids and oxidative phosphorylation because they could also metabolize another fuel source: fatty acids.

"In the majority of newly diagnosed AML, [cancer stem cells] are metabolically inflexible—it's amino acids or nothing," Dr. Jordan explained. "When the disease progresses, and patients relapse after therapy, the [cancer stem cells] become more flexible. At that point, they can burn other fuels and it's harder to kill them."

However, when the researchers treated leukemia stem cells from patients with relapsed disease with venetoclax, azacitidine, and a drug that blocks the intake of fatty acids, the cells died. This triple drug combination may be a potential treatment approach for people with relapsed AML, the researchers wrote.

A Novel Treatment Concept

The unique metabolism of leukemia stem cells is a vulnerability that had not been appreciated as a therapeutic opportunity before, Dr. Jordan said. "We think this is a step in the right direction" toward developing more effective therapies for AML, he added.

And because cancer stem cells from solid tumors such as brain, breast, and pancreatic cancer also rely on oxidative phosphorylation, it might be possible to target them in the same way.

"We hope that scientists who study other cancer types will take that concept and see if its valid for other patients," said Dr. Jordan.

But it's not quite clear whether this metabolic vulnerability is the main reason why venetoclax plus azacitidine treatment kills leukemia stem cells, cautioned Dr. Majeti. As an inhibitor of BCL-2, venetoclax was developed to activate a mechanism of cell death called apoptosis.

Whether the predominant effect of venetoclax is through apoptosis or metabolism, "the jury is still out on that," said Dr. Majeti.

약물조합으로 백혈병 줄기세포만의 독특한 물질대사를 표적으로 삼을 수 있다.

2018년 12월 14일 : 국립암연구소 제공

최근 국립암연구소가 후원한 두 건의 연구는 두 가지 암 치료법의 결합이 급성 골수성 백혈병(AML)에 효과적인 이유를 설명할 수 있을지 모른다. 이 약들은 다른 모든 암세포를 유발한다고 여겨지는 세포들의 하위종인 암의 줄기세포를 표적으로 삼는데 협력한다.

특히, 그 연구에서 베네토클락스(상표명 : 벤클렉스타)와 아자시티딘(상표명 : 비다자)이란 약품의 조합이 팀을 이루어 백혈병 줄기 세포의 독특한 신진대사를 막는다는 것을 보여주었다.

암 줄기세포는 두 가지 중요한 특성을 가지고 있는데, 그것은 자신을 복제할 수 있는 무한한 능력과 암세포의 다른 변형을 만들어 내는 능력이다. 이러한 특성 때문에, 이러한 특수화된 세포들은 주로 암의 생성과 성장, 확산 및 재발을 전담한다고 여겨진다.

암 줄기세포를 죽이지 않는 치료법은 "풀을 뽑지만 뿌리는 뽑지 않는 것"이라고 콜로라도 의대의 수석 연구원인 크레이그 조단 박사가 설명했다. "물론 그것은 재발할 것입니다,"라고 그는 말했다. 다른 연구원들 중에서 조던 박사와 그의 팀은 암 줄기세포를 목표로 하는 방법을 연구하고 있다.

"특히 암 줄기세포를 표적으로 삼으려면 그들의 독특한 특성을 찾아야 합니다,"라고 이 연구에 참여하지 않았던 NCI의 줄기세포 규정과 동물 노화 단과의 책임자인 스티븐 호우 박사는 말했다.

암 줄기세포를 구분하는 한 가지 특성은 그들의 신진대사, 즉 그들이 에너지를 만들기 위해 연료를 사용하는 방법이다. 최근 몇 년 동안, 연구자들은 여러 종양의 암 줄기 세포는 다른 어떤 방법보다도 산화 인산화라고 불리는 한 종류의 신진대사에 의존하는 것을 발견했다.

요르단 박사와 그의 동료들은, 임상시험의 일환으로 베네토클락스와 아자사티딘의 조합으로 치료를 받은 AML 환자들의 세포 샘플을 이용하여, 그 치료가 산화 인산화를 위한 백혈병 줄기 세포의 연료를 차단되는 것을 발견했다.

이러한 연구결과는 "치료적 개입이 AML 환자에게서 처음으로 에너지 대사를 방해함으로서 AML 환자의 백혈병 줄기세포를 박멸할 수 있음을 보여주었다고 연구원들이 썼다.

암 줄기세포의 대사

백혈병 세포는 생존을 위해 BCL-2라는 단백질을 이용한다. 이전의 실험실 실험에서, 요르단 박사와 그의 팀은 BCL-2를 차단하는 것이 산화성 인산화를 방해함으로써 백혈병 줄기 세포를 죽였다는 것을 발견했다.

그리고 초기 임상 시험에서, BCL-2를 억제하는 약물인 아자시티딘과 베네토클랙스는 새로이 진단을 받은 AML의 노인 환자의 73%에서 질병의 흔적을 모두 제거했다. 일부 환자들은 여전히 1년이 지난 후에도 치료에 반응하고 있었다.

이 연구에 참여하지 않은 스탠포드 대학의 백혈병 전문가인 라비 맞제티 박사는 이러한 반응의 빈도와 내구성은 "놀랄 정도로 인상적이다"라고 말했다.

요르단 박사와 그의 동료들은 실험 치료의 효과가 백혈병 줄기 세포를 표적으로 하는 약물의 능력을 반영할 수도 있다는 예감이 들었다.

11월 12일 네이쳐 메디신 지에 발표된 새로운 연구 중 하나에서, 연구원들은 앞서 언급한 임상 시험의 33명의 참가자들의 AML 세포 샘플을 조사했다. 대조군으로서, 그들은 또한 표준 화학 요법과 같은 다른 치료법에 대한 88명의 사람들의 반응을 조사했다. 이 환자들 중에서, 베네토클락스 + 아자시티딘 그룹의 85%와 그리고 대조군 그룹의 51%가 완전한 반응을 보였다.

그들은 화학요법이 아닌 조합 치료법이 산화인산화를 방해하고 백혈병 줄기 세포를 빠르게 죽였다는 것을 발견했다. 연구원들은 특정 분자의 존재 여부에 따라 백혈병 줄기 세포를 일반 백혈병 세포와 구별했다. 이 결합 치료는 또한 보통의 백혈병 세포를 죽였지만, 건강한 혈액 줄기세포는 아니다.

실험실에서 실시한 실험에서 연구원들은 오직 베네토클락스와 아자시디틴의 조합만이 산화 인산화를 방해하고 백혈병 줄기 세포를 죽였다는 것을 발견했다; 그 어떤 약도 단독으로 동일한 효과를 가지고 있지 않았다.

연료원의 절단

11월 12일 암세포 지에 발표된 동반 연구에서, 요르단 박사와 그의 동료들은 백혈병 줄기세포의 대사를 더 세밀하게 조사했다.

세 명의 베네토클락스의 임상시험 참가자들의 백혈병 줄기 세포 샘플을 이용하여, 연구팀은 조합 치료가 에너지 신진대사의 연료로 사용될 수 있는 분자인 아미노산을 대폭 감소시켰다는 사실을 발견했다.

새로이 AML 진단을 받은 사람들로부터 채취한 암세포에 대한 후속 연구는 이 백혈병 줄기 세포들이 산화성 인산화 연료로서 오로지 아미노산에 의존한다는 것을 밝혀냈다. 아미노산이 없을 때 백혈병 줄기 세포는 신진대사나 연료 공급원의 다른 방법으로 전환할 수 없었다고 연구원들은 밝혔다.

반대로 아미노산을 없애버리면, 동일한 환자의 건강한 혈액 줄기세포와 일반적인 암세포의 성장과 생존에 큰 영향을 주지 않았다.

이러한 발견들은 새로이 진단을 받은 AML의 백혈병 줄기 세포가 다른 세포들보다 "대사에서 유연함" 이 덜하다는 것을 암시한다고 조던 박사는 설명했다. 암세포가 선호하는 연료 공급원이 차단되면, 그들은 적응할 수 없기 때문에, 세포는 죽는다.

그러나 다른 AML 환자들의 백혈병 줄기 세포는 이 연구 참가자들의 줄기세포와 다를 수 있다고 호우 박사는 말했다. 암세포 구성에서의 변병, 즉 이질성은 일부 사람들의 백혈병 줄기세포가 다른 신진대사 방법으로 전환되어 치료를 견디어 살아남을 수 있다는 것을 의미할 수 있다고 그는 설명했다.

재발 후 백혈병 줄기 세포

비록 베네토클락스와 아자시티딘의 조합이 암에 대한 사전 치료를 받지 못한 AML의 노령자들에게는 효과가 있는 것처럼 보이지만, 다른 임상 실험에서는 이러한 결합이 재발했거나 이전 치료에 반응하지 않은 (난치성의) AML 환자들에게는 그다지 유효하지 않다는 것을 보여주었다.

요르단 박사 팀은 이 환자들의 백혈병 줄기 세포의 신진대사가 다를 수 있기 때문에 그들이 베네토클락스와 아자시티딘의 효과에 더 이상 취약하지 않을 수 있다고 추론했다.

실제로, 베네토클락스와 아자시티딘을 이용한 치료는 재발된 환자의 백혈병 줄기 세포를 죽이지 않았다는 것을 발견했다. 그리고 이전에 치료를 받지 않았던 환자의 백혈병 줄기 세포와 비교했을 때, 재발된 환자들의 세포들은 또 다른 연료인 지방산을 대사할 수 있기 때문에 아미노산과 산화 인산화에 덜 의존적이었다.

"새로운 AML 진단을 받은 대부분 환자의 경우, 암 줄기세포는 신진대사 면에서 유연하지 않다. 즉 아미노산이거나 혹은 아무 것도 아니었다."고 조던 박사는 설명했다. 병이 진행되고 환자가 치료 후 재발하면 암 줄기세포가 더 유연해진다. 그 시점에서 그들은 다른 연료를 태울 수 있고 줄기세포를 죽이기는 더 어렵다."

그러나 연구진이 재발한 환자의 백혈병 줄기 세포를 베네토클락스와 아자시티딘 그리고 지방산 섭취를 막는 약으로 치료했을 때 세포들은 죽었다. 이 세 가지 약물의 조합은 AML이 재발한 사람들에게 잠재적인 치료법이 될 수 있다고 연구원들은 썼다.

새로운 치료 개념

백혈병 줄기세포의 독특한 신진대사는 이전에는 치료의 기회로 여겨지지 않았던 취약점이라고 요르단 박사는 말했다. "우리는 이것이 AML에 대한 보다 효과적인 치료법을 개발하는 방향으로 가는 올바른 방향이라고 생각한다."고 그는 덧붙였다.

그리고 뇌와 유방 및 췌장암과 같은 고형 암의 암 줄기 세포는 산화 인산화에도 의존하기 때문에, 같은 방법으로 그들을 표적으로 삼는 것이 가능할 수도 있다.

"우리는 다른 종류의 암을 연구하는 과학자들이 그 개념을 받아들여 그것이 다른 환자들에게도 유효한지 알아보기를 희망합니다."라고 조던 박사는 말했다.

그러나 이 대사의 취약점이 베네토클락스 + 아자시티딘 치료가 백혈병 줄기 세포를 죽이는 주된 이유인지는 확실하지 않다고 마제티 박사는 경고했다. BCL-2의 억제제로서, 베네토클락스는 세포사멸이라는 세포가 죽는 메커니즘을 활성화하기 위해 개발되었다.

베네토클락스의 두드러진 효과가 세포사멸을 통해서든 신진대사를 통해서든, "그것에 대한 평가는 아직 이르다"고 마제티 박사는 말했다.