Metabolic networks and metabolism in acute myeloid leukemia

Abstract

A leucemia mieloide aguda (LMA) é um grupo heterogéneo de doenças caracterizado por alterações na diferenciação e/ou proliferação de células mieloides imaturas. A terapia usada na LMA tem aplicabilidade limitada nos idosos, a população mais afetada, tornando critica a elucidação dos mecanismos subjacentes a esta doença. Alterações no metabolismo energético, vias de sinalização celular (AMPK, mTORC1 e AKT) e/ou macroautofagia (doravante denominado autofagia) têm sido identificadas na LMA, com dados controversos reportados. Este trabalho caracterizou o perfil energético, metabólico e autofágico, bem como a sua interligação, em diferentes subtipos de LMA. Linhas celulares de LMA representativas de subtipos desta doença, HL-60 (FAB-M2), NB-4 (FAB-M3) e KG-1 (FAB-M6), foram usadas. Um fenótipo de fosforilação oxidativa associado a co-ativação do AMPK e mTORC1 e autofagia aumentada foi exibido pelas células KG-1, enquanto as células NB-4 e HL-60 apresentaram um fenótipo glicolítico associado a ativação do AKT/mTORC1 e autofagia diminuída. A inibição do AKT reduziu a viabilidade das células NB-4 e HL-60. Adaptações metabólicas distintas parecem, portanto, ocorrer entre diferentes subtipos de LMA, sendo o AKT um potencial alvo terapêutico em alguns cenários de LMA. Esta tese também caracterizou o padrão de expressão de genes autofágicos em subtipos distintos de LMA, usando mRNA da medula óssea de pacientes com LMA. Ao categorizar os pacientes com LMA de acordo com o subtipo FAB, grupo de risco citogenético ou cariótipo, uma expressão diferencial de genes autofágicos foi notada entre os grupos testados. Este estudo suporta, portanto, a ocorrência de perfis autofágicos distintos entre diferentes subtipos de LMA. A diabetes mellitus tipo 2 (doravante denominada DM) tem sido associada à ocorrência de LMA e a alterações nas células estromais da medula óssea (CEMO). Esta tese também avaliou o impacto que as alterações induzidas pela glucose nas CEMO têm na patogénese de diferentes subtipos de LMA. As células NB-4, HL-60 e KG-1 foram expostas de forma aguda ou crónica a meio condicionado produzido por CEMO com uma concentração de glucose normal ou elevada (CM-RG or CM-HG). Um fenótipo tumorigénico aumentado foi exibido pelas células NB-4, seguidas pelas células HL-60 e KG-1, após exposição crónica ao meio condicionado produzido pelas CEMO com concentração elevada de glucose. A exposição crónica às alterações promovidas pela glucose no secretoma das CEMO parece, portanto, contribuir para a patogénese de diferentes subtipos de LMA. O tratamento da LMA deve passar por uma terapia personalizada adaptada à heterogeneidade deste grupo de doenças.

Acute myeloid leukemia (AML) is a heterogeneous group of disorders characterized by arrested differentiation and/or uncontrolled proliferation of immature myeloid progenitor cells. Intensified therapy has limited applicability among elderly, the most affected population, making critical the elucidation of the mechanisms underlying AML pathogenesis. Altered energy metabolism, nutrientsensing pathways, as AMPK, mTORC1 and AKT, and/or macroautophagy (hereinafter called autophagy) have been identified in AML, with controversial data reported. This work characterized the energetic, metabolic and autophagic profile as well as its crosstalk in distinct AML subtypes. Human AML cell lines HL-60 (FAB-M2 subtype), NB-4 (FAB-M3 subtype) and KG-1 (FAB-M6 subtype), representative of AML subtypes, were used. An oxidative metabolism associated with an AMPK and mTORC1 co-activation and an increased autophagy was displayed by KG-1 cells, while NB-4 and HL-60 cells exhibited a glycolytic phenotype associated with an AKT/mTORC1 activation and a decreased autophagy. Inhibition of AKT significantly reduced the NB-4 and HL-60 cells survival. Distinct metabolic adaptations seem therefore to occur among different AML subtypes, being AKT a potential therapeutic target in some AML scenarios. This work also characterized the expression pattern of autophagy-related genes in distinct AML subtypes, using mRNA samples from the bone marrow mononuclear cells of AML patients. By categorizing AML patients according to their FAB subtype, cytogenetic risk group or karyotype, a differential expression of autophagyrelated genes was noticed among the tested groups. This study supports the occurrence of distinct autophagic signatures among different AML subtypes, highlighting the heterogeneity of AML. Type 2 diabetes mellitus (hereinafter called DM) has been associated with AML occurrence and bone marrow mesenchymal stromal cells (BM-MSCs) disturbances. This thesis also assessed the impact of glucose-induced changes in the BM-MSCs on the pathogenesis of distinct AML subtypes. NB-4, HL-60 and KG-1 cells were acutely or chronically exposed to the conditioned medium produced by human BM-MSCs under regular or high glucose concentrations (CM-RG or CM-HG). An increased tumorigenic phenotype was displayed by all tested AML cells upon chronic exposure to CM-HG, with NB-4 cells exhibiting the highest tumorigenic profile followed by HL-60 and KG-1 cells. Longterm exposure to high glucose promotes alterations in the BM-MSCs secretome that seem to contribute to the pathogenesis of distinct AML subtypes. The AML therapeutic approach must pass through personalized therapy adapted to the heterogeneity of this group of disorders.