Cancer cell metabolic plasticity allows resistance to NAMPT inhibition but invariably induces dependence on LDHA

Background: Inhibitors of nicotinamide phosphoribosyltransferase (NAMPT), the rate-limiting enzyme in NAD+ biosynthesis from nicotinamide, exhibit anticancer effects in preclinical models. However, continuous exposure to NAMPT inhibitors, such as FK866, can induce acquired resistance. Methods: We developed FK866-resistant CCRF-CEM (T cell acute lymphoblastic leukemia) and MDA MB231 (breast cancer) models, and by exploiting an integrated approach based on genetic, biochemical, and genome wide analyses, we annotated the drug resistance mechanisms. Results: Acquired resistance to FK866 was independent of NAMPT mutations but rather was based on a shift towards a glycolytic metabolism and on lactate dehydrogenase A (LDHA) activity. In addition, resistant CCRF-CEM cells, which exhibit high quinolinate phosphoribosyltransferase (QPRT) activity, also exploited amino acid catabolism as an alternative source for NAD+ production, becoming addicted to tryptophan and glutamine and sensitive to treatment with the amino acid transport inhibitor JPH203 and with L-asparaginase, which affects glutamine exploitation. Vice versa, in line with their low QPRT expression, FK866-resistant MDA MB231 did not rely on amino acids for their resistance phenotype. Conclusions: Our study identifies novel mechanisms of resistance to NAMPT inhibition, which may be useful to design more rational strategies for targeting cancer metabolism

Cancer stem cells (CSCs) : metabolic strategies for their identification and eradication

Phenotypic and functional heterogeneity is one of the most relevant features of cancer cells within different tumor types and is responsible for treatment failure. Cancer stem cells (CSCs) are a population of cells with stem cell-like properties that are considered to be the root cause of tumor heterogeneity, because of their ability to generate the full rep- ertoire of cancer cell types. Moreover, CSCs have been invoked as the main drivers of metastatic dissemination and therapeutic resistance. As such, targeting CSCs may be a useful strategy to improve the effectiveness of classical anticancer therapies. Recently, metabolism has been considered as a relevant player in CSC biology, and indeed, onco- genic alterations trigger the metabolite-driven dissemination of CSCs. More interestingly, the action of metabolic pathways in CSC maintenance might not be merely a conse- quence of genomic alterations. Indeed, certain metabotypic phenotypes may play a causative role in maintaining the stem traits, acting as an orchestrator of stemness. Here, we review the current studies on the metabolic features of CSCs, focusing on the bio- chemical energy pathways involved in CSC maintenance and propagation. We provide a detailed overview of the plastic metabolic behavior of CSCs in response to microenvironment changes, genetic aberrations, and pharmacological stressors. In addition, we describe the potential of comprehensive metabolic approaches to identify and selectively eradicate CSCs, together with the possibility to ‘force’ CSCs within certain metabolic dependences, in order to effectively target such metabolic biochemical inflexibilities. Finally, we focus on targeting mitochondria to halt CSC dissemination and effectively eradicate cancer

Investigation of a new chemoresistance mechanism mediated by the bone marrow microenvironment in Acute Myeloid Leukemia (AML). Evidence for an active mitochondrial transfer from stromal cells to leukemic blasts

La leucémie aiguë myéloïde (LAM) est une hémopathie maligne à progression rapide, qui se caractérise par une expansion clonale de précurseurs myéloïdes présentant un contrôle défectueux de leur prolifération et de leur différenciation. Une rémission complète peut être obtenue chez environ 80% à 85% des patients en associant cytarabine et anthracycline qui sont respectivement un inhibiteur de la synthèse d’ADN et un agent intercalant. Néanmoins, les résultats globaux pour les patients atteints de LAM restent médiocres et le taux de survie à 5 ans des patients âgés de plus de 60 ans, est inférieur à 10%. Le paradigme bien accepté de la leucémogenèse est que la leucémie résulte de la transformation d'une cellule unique appelée cellule souche leucémique (SCL) ou cellule initiatrice de leucémie (LIC) qui se développe par autorenouvellement et engendre par division asymétrique les blastes leucémiques bloqués dans leur différentiation. Les LIC vont être responsables du maintien et de la rechute de la maladie après le traitement chimiothérapeutique car si les traitements actuels sont relativement efficaces contre les blastes leucémiques, ils échouent au niveau des LIC. Un autre facteur important impliqué dans la résistance aux traitements est le microenvironnement de la moelle osseuse qui forme la niche hématopoïétique. Des études ont montré que différents composants cellulaires de la niche peuvent transférer des mitochondries à des cellules normales soumises à un stress métabolique ou dans un contexte pathologique, vers des cellules cancéreuses. Durant ma thèse, j'ai pu montrer que les cellules murines de la lignée MS-5 et/ou des cellules stromales primaires humaines dérivées de la moelle osseuse, utilisées comme cellules nourricières dans des expériences de co-culture, sont capables de transférer des mitochondries fonctionnelles aux cellules leucémiques. En utilisant différentes approches moléculaires et d'imagerie, nous avons pu montrer que les cellules de LAM peuvent, par ce transfert, augmenter leur masse mitochondriale jusqu'à 14%. Dans la co-culture, les cellules LAM receveuses ont montré une augmentation de 1,5 fois de la production d'adénosine triphosphate (ATP) mitochondriale et se sont révélées moins sujettes à une dépolarisation mitochondriale après chimiothérapie, affichant une survie plus élevée. Ce transfert unidirectionnel, renforcé par certains agents chimiothérapeutiques, nécessite des contacts cellule-cellule et semble se dérouler par une voie endocytaire qui reste à déterminer. Enfin, nous démontrons que le transfert mitochondrial est observé in vivo dans un modèle de xénogreffe de souris immunodéficientes NSG et se produit également dans les cellules et les progéniteurs initiateurs de la leucémie humaine et leur conférant une capacité plus élevée à initier des cultures leucémiques à long terme. Nous avons ainsi apporté la preuve qu'un transfert horizontal de mitochondries provenant des cellules stromales de la niche hématopoïétique participe aux phénomènes de chimiorésistance des cellules leucémiques receveuses. De ce fait, cibler ce transfert mitochondrial pourrait représenter une future cible thérapeutique originale pour un traitement adjuvant des LAM visant à interférer avec le soutien de leur microenvironnement.Acute myelogenous leukemia (AML) is a heterogeneous group of hematopoietic malignancies arising from hematopoietic stem and/or progenitor cells that display defective control of their proliferation, differentiation, and maturation. Complete remission is achieved using anthracycline and cytarabine combination therapy in 80% to 85% of older patients. Nevertheless, the overall outcomes for AML patients remain poor, and the 5-year survival rate for patients over 60 is less than 10%. The well-accepted paradigm of leukemogenesis is that leukemia arises from the transformation of a single cell and is maintained by a small population of leukemic stem cells (LSC) or leukemia initiating cells (LICs). It is theorized that current treatments, although highly effective against the leukemic bulk, fail to eradicate the LICs that are therefore responsible for leukemia relapse. Another important factor involved in resistance to treatments is the microenvironment of the bone marrow, which is called the hematopoietic niche. Studies have shown that different niche cell components can transfer mitochondria to normal cells that undergo a metabolic stress and in a pathological context, to cancer cells. During my PhD we demonstrate that in an ex vivo niche-like coculture system, cells both primary and cultured AML cells take up functional mitochondria from murine or human bone marrow stromal cells. Using different molecular and imaging approaches, we show that AML cells can increase their mitochondrial mass by up to 14%. After coculture, recipient AML cells showed a 1.5-fold increase in mitochondrial ATP production and were less prone to mitochondrial depolarization after chemotherapy, displaying a higher survival. This unidirectional transfer enhanced by some chemotherapeutic agents required cell–cell contacts and proceed through an ill-defined endocytic pathway. Transfer was greater in AML blasts compared with normal cord blood CD34+ cells. Finally, we demonstrate that mitochondrial transfer was observed in vivo in an NSG immunodeficient mouse xenograft model and also occurred in human leukemia initiating cells and progenitors. As mitochondrial transfer provides a clear survival advantage following chemotherapy and a higher leukemic long-term culture initiating cell potential, targeting mitochondrial transfer could represent a future therapeutic target for AML treatment

Étude des mécanismes de chimiorésistance médiés par le microenvironnement de la moelle osseuse dans la Leucémie Aiguë Myéloïde. Mise en évidence d’un transfert de mitochondries actives des cellules stromales vers les blastes leucémiques

Acute myelogenous leukemia (AML) is a heterogeneous group of hematopoietic malignancies arising from hematopoietic stem and/or progenitor cells that display defective control of their proliferation, differentiation, and maturation. Complete remission is achieved using anthracycline and cytarabine combination therapy in 80% to 85% of older patients. Nevertheless, the overall outcomes for AML patients remain poor, and the 5-year survival rate for patients over 60 is less than 10%. The well-accepted paradigm of leukemogenesis is that leukemia arises from the transformation of a single cell and is maintained by a small population of leukemic stem cells (LSC) or leukemia initiating cells (LICs). It is theorized that current treatments, although highly effective against the leukemic bulk, fail to eradicate the LICs that are therefore responsible for leukemia relapse. Another important factor involved in resistance to treatments is the microenvironment of the bone marrow, which is called the hematopoietic niche. Studies have shown that different niche cell components can transfer mitochondria to normal cells that undergo a metabolic stress and in a pathological context, to cancer cells. During my PhD we demonstrate that in an ex vivo niche-like coculture system, cells both primary and cultured AML cells take up functional mitochondria from murine or human bone marrow stromal cells. Using different molecular and imaging approaches, we show that AML cells can increase their mitochondrial mass by up to 14%. After coculture, recipient AML cells showed a 1.5-fold increase in mitochondrial ATP production and were less prone to mitochondrial depolarization after chemotherapy, displaying a higher survival. This unidirectional transfer enhanced by some chemotherapeutic agents required cell–cell contacts and proceed through an ill-defined endocytic pathway. Transfer was greater in AML blasts compared with normal cord blood CD34+ cells. Finally, we demonstrate that mitochondrial transfer was observed in vivo in an NSG immunodeficient mouse xenograft model and also occurred in human leukemia initiating cells and progenitors. As mitochondrial transfer provides a clear survival advantage following chemotherapy and a higher leukemic long-term culture initiating cell potential, targeting mitochondrial transfer could represent a future therapeutic target for AML treatment.La leucémie aiguë myéloïde (LAM) est une hémopathie maligne à progression rapide, qui se caractérise par une expansion clonale de précurseurs myéloïdes présentant un contrôle défectueux de leur prolifération et de leur différenciation. Une rémission complète peut être obtenue chez environ 80% à 85% des patients en associant cytarabine et anthracycline qui sont respectivement un inhibiteur de la synthèse d’ADN et un agent intercalant. Néanmoins, les résultats globaux pour les patients atteints de LAM restent médiocres et le taux de survie à 5 ans des patients âgés de plus de 60 ans, est inférieur à 10%. Le paradigme bien accepté de la leucémogenèse est que la leucémie résulte de la transformation d'une cellule unique appelée cellule souche leucémique (SCL) ou cellule initiatrice de leucémie (LIC) qui se développe par autorenouvellement et engendre par division asymétrique les blastes leucémiques bloqués dans leur différentiation. Les LIC vont être responsables du maintien et de la rechute de la maladie après le traitement chimiothérapeutique car si les traitements actuels sont relativement efficaces contre les blastes leucémiques, ils échouent au niveau des LIC. Un autre facteur important impliqué dans la résistance aux traitements est le microenvironnement de la moelle osseuse qui forme la niche hématopoïétique. Des études ont montré que différents composants cellulaires de la niche peuvent transférer des mitochondries à des cellules normales soumises à un stress métabolique ou dans un contexte pathologique, vers des cellules cancéreuses. Durant ma thèse, j'ai pu montrer que les cellules murines de la lignée MS-5 et/ou des cellules stromales primaires humaines dérivées de la moelle osseuse, utilisées comme cellules nourricières dans des expériences de co-culture, sont capables de transférer des mitochondries fonctionnelles aux cellules leucémiques. En utilisant différentes approches moléculaires et d'imagerie, nous avons pu montrer que les cellules de LAM peuvent, par ce transfert, augmenter leur masse mitochondriale jusqu'à 14%. Dans la co-culture, les cellules LAM receveuses ont montré une augmentation de 1,5 fois de la production d'adénosine triphosphate (ATP) mitochondriale et se sont révélées moins sujettes à une dépolarisation mitochondriale après chimiothérapie, affichant une survie plus élevée. Ce transfert unidirectionnel, renforcé par certains agents chimiothérapeutiques, nécessite des contacts cellule-cellule et semble se dérouler par une voie endocytaire qui reste à déterminer. Enfin, nous démontrons que le transfert mitochondrial est observé in vivo dans un modèle de xénogreffe de souris immunodéficientes NSG et se produit également dans les cellules et les progéniteurs initiateurs de la leucémie humaine et leur conférant une capacité plus élevée à initier des cultures leucémiques à long terme. Nous avons ainsi apporté la preuve qu'un transfert horizontal de mitochondries provenant des cellules stromales de la niche hématopoïétique participe aux phénomènes de chimiorésistance des cellules leucémiques receveuses. De ce fait, cibler ce transfert mitochondrial pourrait représenter une future cible thérapeutique originale pour un traitement adjuvant des LAM visant à interférer avec le soutien de leur microenvironnement

Additional file 1: of Cancer cell metabolic plasticity allows resistance to NAMPT inhibition but invariably induces dependence on LDHA

Table S2. List of RT-PCR primer sequences. (XLS 34 kb