Therapeutic Potential of the Histone Deacetylase Inhibitor Martinostat in Overcoming Tyrosine Kinase Inhibitor Resistance in Chronic Myeloid Leukemia = 만성 골수성 백혈병에서 티로신 키나제 억제제 내성을 극복하는 히스톤 탈아세틸화 효소 억제제 Martinostat의 치료적 잠재력

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Chronic Myeloid Leukemia (CML) remains a therapeutic challenge, particularly in patients who develop resistance to standard tyrosine kinase inhibitors (TKIs) like imatinib. This study introduces martinostat, a potent pan-histone deacetylase inhibitor (HDACi), as a promising approach to overcome TKI resistance in CML. Martinostat demonstrated high binding affinity across HDAC isoenzymes and effectively induced hyperacetylation of histone and α-tubulin in both imatinib-sensitive and -resistant CML cells, outperforming the clinically-used HDACi vorinostat. It selectively impaired CML cell proliferation and viability and induced apoptosis across various CML models, including resistant cell models and patient blasts with minimal toxicity to healthy cells and low developmental toxicity in zebrafish. In addition to single-agent efficacy, martinostat showed enhanced anticancer effects when combined with imatinib, both in vitro and in vivo, significantly reducing tumor growth in resistant CML xenograft models. Mechanistically, martinostat disrupted signal transducer and activator of transcription (STAT)5 signaling and promoted the release of danger-associated molecular patterns (DAMPs), amplifying apoptotic pathways. These findings emphasize martinostat's potential as a selective, low-toxicity HDACi that, when combined with TKIs, could offer a robust strategy to counteract drug resistance in CML and improve patient outcomes.

국문 초록 (Abstract)

만성 골수성 백혈병은 Imatinib을 비롯한 표준 치료제인 티로신 키나제 억제제에 내성을 지닌 환자의 발생으로 인해 이러한 부분이 치료적 난제로 남아있다. 본 연구에서 강력한 Pan-Histone deacetylase 억제제 (HDAC inhibitor)인 Martinostat를 도입하여, 만성 골수성 백혈병에서의 티로신 키나제 억제제에 대한 내성을 극복할 수 있는 치료적 접근법을 제시한다. Martinostat는 다양한 HDAC 동종효소에 대해 높은 결합 친화성을 보였으며, Imatinib 민감성 및 내성 CML 세포 모두에서 히스톤과 α-튜불린의 과아세틸화를 효과적으로 유도하여, 임상에서 사용 중인 HDACi인 Vorinostat보다 우수한 HDAC inhibitor임을 입증했다. 또한 Martinostat는 만성 골수성 백혈병 세포의 증식과 생존을 선택적으로 억제하고, 다양한 CML 모델 (내성 세포주 및 환자 유래 백혈병 세포 포함)에서 세포사멸을 유도하였으며, 정상 세포에는 독성이 거의 없고 제브라피쉬 모델에서 발달 독성도 낮음이 확인되었다. 단독 요법 외에도, Martinostat는 Imatinib과의 병용 투여 시 생체 내 및 생체 외 실험에서 향상된 항암 효과를 보였고, Imatinib에 내성을 지닌 CML 이식 모델에서 종양의 성장을 유의미하게 감소시켰다. 기전적으로 Martinostat는 STAT5의 신호전달을 방해하고 위험 관련 분자 패턴 (DAMPs)의 방출을 촉진하여 세포사멸의 경로를 증폭시키는 결과를 보였다. 이러한 결과는 Martinostat가 선택적이고 독성이 낮은 HDAC inhibitor로서, Imatinib와 같은 TKI와의 병용하여 사용될 경우 CML에서 발견되는 약물 내성을 극복하고 환자의 예후를 개선할 수 있는 강력한 치료 전략이 될 수 있음을 시사하는 바이다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iii
• List of Figures vi
• List of Tables ix
• Introduction 1
• 1. Study Background 1
• 2. Purpose of Research 3
• Materials and methods 5
• 1. Public data and computational analyses 5
• 2. In Silico drug-like properties 5
• 3. Computational docking 5
• 4. Prediction of binding affinity 6
• 5. Compounds 7
• 6. HDAC activity assays 9
• 7. Cell culture 9
• 8. Cell proliferation and viability assays 10
• 9. Zebrafish toxicity assay 10
• 10. Protein extraction and western blots 11
• 11. mRNA sequencing and data processing 12
• 12. Colony formation assays 14
• 13. Cell cycle analysis 15
• 14. Measurement of high mobility group box 1 release 15
• 15. Cell death assessment 15
• 16. Detection of intracellular ATP content 16
• 17. Caspase-3/7 activity assay 16
• 18. Transmission electron microscopy 16
• 19. Holo-tomography 17
• 20. Xenograft assays 17
• 21. Determination of blood serum biochemical characteristics 18
• 22. Immunohistochemistry analysis 18
• 23. Quantification of Immunohistochemistry Images 19
• 24. Statistical analyses 20
• 25. Ethical considerations 20
• Results 21
• Chapter 1 21
• 1.1 Translational Relevance of HDAC Inhibitors in CML 21
• 1.2 In Vitro HDAC Inhibition by Martinostat and In Silico Drug-Likeness Properties 24
• 1.4 Martinostat Leads to Histone and Tubulin Hyperacetylation in TKI-Sensitive and Resistant CML Cell Types 34
• Chapter 2 37
• 2.1 Effect of Martinostat on CML Cell Proliferation and Viability 37
• 2.2 Anti-Leukemic Properties of Martinostat in Imatinib-Sensitive and Resistant CML Cells 43
• 2.3 mRNA-sequencing analysis in Martinostat-treated K562 cells and the effect of Martinostat on Cell Cycle Arrest and Apoptosis 48
• Chapter 3 64
• 3.1 Synergistic Induction of Cell Death by Martinostat and Imatinib in CML Cells 64
• 3.2 Martinostat and Imatinib Co-Treatments Inhibit the BCR-ABL Signaling Pathway in Imatinib-Sensitive and -Resistant K562 Cells 79
• 3.3 In Vivo Anticancer Effects of Martinostat and Imatinib Co-Treatment 83
• Discussion 88
• References 99
• Abstract in Korean 111