Targeting OPA1 Restores Drug Sensitivity in AML via ROS-Induced Mitochondrial Metabolic Reprogramming = 급성 골수성 백혈병에서 OPA1 타겟팅을 통한 ROS 유도와 미토콘드리아 대사 재프로그래밍으로 약물 감수성 회복

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Acute myeloid leukemia (AML) is a highly aggressive cancer with a 5-year survival rate of less than 35%, characterized by significant drug resistance and abnormal energy metabolism. Mitochondrial dynamics and metabolism are vital for AML cell survival. The mitochondrial fusion protein Optic Atrophy 1 (OPA1) is upregulated in AML patients with adverse mutations, correlating with poor prognosis. This study explores targeting OPA1 with TMQ0153, a tetrahydrobenzimidazole derivative, to disrupt mitochondrial metabolism and dynamics as a novel therapeutic approach to overcome treatment resistance. TMQ0153 treatment significantly depleted OPA1 and mitofusin (MFN)2 protein levels, disrupting mitochondrial morphology and function. AML cells exhibited increased reactive oxygen species production, inhibited oxidative phosphorylation, and mitochondrial membrane depolarization, triggering caspase-dependent apoptosis. TMQ0153 reprogrammed the metabolism from mitochondrial respiration to glycolysis and impaired respiratory chain activity in AML cell models. Metabolic profiling confirmed reduced dependency on the tricarboxylic acid cycle and fatty acid metabolism. The treatment disrupted ATP production and altered the glutathione/oxidized glutathione and NAD⁺/NADH redox ratios. In vivo, TMQ0153 reduced tumor volume and weight in MV4-11 xenografts. Moreover, combination treatments with TMQ0153 markedly reduced leukemic burden and prolonged survival in NSG mice xenografted with U937-luc cells treated with venetoclax-azacitidine and MOLM-14-luc cells treated with gilteritinib. Altogether, TMQ0153 targets mitochondrial dynamics by inhibiting OPA1 and induces metabolic reprogramming and apoptosis in AML cells with FLT3 and TP53 mutations. It enhances the efficacy of existing AML therapies, offering a promising combination treatment approach that exploits mitochondrial vulnerabilities and metabolic reprogramming for improved treatment outcomes.

국문 초록 (Abstract)

급성 골수성 백혈병(Acute myeloid leukemia; AML)은 조혈모 전구 세포에서 발생하는 혈액 악성 종양으로, 5년 생존율은 30.5%이며, 환자의 30% 이상이 재발하거나 약물 내성이 발생한다. 또한 가장 널리 사용되는 cytarabine (Ara-C) 과 daunorubicin (7+3) 을 이용한 약물 치료 방법은 고령 환자에서 높은 독성을 보이므로 치료의 한계가 있어 끊임없는 치료제 개발이 요구되고 있다. 환자 데이터 분석을 통해 급성 골수성 백혈병 환자에게서 비정상적인 미토콘드리아 단백질 과발현을 관찰하였으며, 이는 미토콘드리아 융합 (mitochondrial fusion), 호흡 (mitochondrial respiration) 및 대사 (metabolism)를 조절하는 Optic Atrophy (OPA)1으로 확인되었다. 특히, 급성 골수성 백혈병 환자 중 높은 OPA1 발현을 갖는 경우 낮은 생존율을 초래하는 것으로 나타났다. TMQ0153 처리 후 OPA1 단백질이 빠르게 감소함에 따라 미토콘드리아 확장 (mitochondria dilatation)증가, 산소 소비율 (oxygen consumption rate; OCR), 산화적 인산화(oxidative phosphorylation; OXPHOS), ATP 생성 감소 등 미토콘드리아 형태 변화와 대사 및 호흡 손상이 유도됨을 확인하였다. 또한, 활성산소 (reactive oxygen species; ROS)생성과, 미토콘드리아 막 전위 (mitochondria membrane potential; MMP) 감소, cytochrome c 분비, caspase 활성화를 통한 세포사멸 (apoptosis) 유도를 확인하였다. 이러한 과정에서 ROS 증가로 인해 산화 환원 항상성 (redox homeostasis)이 조절되지 않아 글루타티온 (glutathione; GSH)/산화 글루타티온 (oxidized glutathione; GSSG) 및 NAD+/NADH 비율 감소를 초래하였다. TMQ0153에 의해 Fms-like tyrosine kinase (FLT3) 변이가 있는 MV4-11 세포주에서는 미토콘드리아 호흡작용이 감소함에 따라 해당작용 (glycolysis)이 증가하여 대사 변환 (metabolic shift)이 일어남을 확인하였다. 누드 마우스를 이용한 동물실험에서 TMQ0153에 의해 MV4-11 이종 이식 종양의 부피와 무게를 유의미하게 감소시켜 항암효과가 있음을 나타냈다. 뿐만 아니라, FLT3 표적 약물인 gilteritinib과 함께 처리하였을 때 시너지 효과를 관찰하였으며 NSG 마우스를 이용한 실험에서도 암세포 감소와 생존시간 증가를 확인하였다. 종합적으로 이러한 연구를 통해 TMQ0153가 OPA1을 표적으로 하여 단독 및 병용치료에 이용 가능한 항암약물로서 이용될 수 있음을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• Table of contents iv
• List of Figures vi
• List of Tables ix
• List of Abbreviations x
• Chapter 1. Bioinformatics analysis of mitochondrial regulators in AML patients 1
• 1.1. Introduction 2
• 1.2. Materials and Method 5
• 1.3. Results 8
• 1.4. Discussion 21
• Chapter 2. Tetrahydrobenzimidazole TMQ0153 induces mitochondrial dynamic alterations and metabolic dysfunctions, resulting in cell death 23
• 2.1. Introduction 24
• 2.2. Materials and Method 27
• 2.3. Results 44
• 2.4. Discussion 140
• Chapter 3. Synergistic effect of TMQ0153 with FLT3 inhibitor gilteritinib in vitro and in vivo 144
• 3.1. Introduction 145
• 3.2. Materials and Method 149
• 3.3. Results 153
• 3.4. Discussion 184
• Conclusion 187
• References 188
• Abstract in Korean (국문 초록) 195