Targeting STAT5 in hematopoietic cancers

Abstract

Die Entstehung von Krebs beim Menschen ist häufig verbunden mit außergewöhnlichen Aktivitäten von sonst normalen Signalwegen. Folglich, werden onkogene Transkriptionsfaktoren, von denen Krebszellen abhängig sind, als therapeutisch interessante Ziele für die Entwicklung von Arzneimitteln angesehen. Obwohl diese allgemein als "undruggable" angesehen werden, initiierten neue chemische Ansätze zur Modulation von Transkriptionsfaktorfunktionen, einschließlich Methoden zur Stabilisierung oder Degradation von Transkriptionsfaktoren oder zur Störung der Interaktionen mit Partnerproteinen oder Kofaktoren, eine neue Ära der Forschung, die sich auf bislang schwierige Ziele konzentriert. Die konstitutive Aktivierung des JAK-STAT-Signalwegs ist eine der häufigsten Ursachen für hämatopoetische Krebserkrankungen. Es wurden umfangreiche Anstrengungen unternommen, Inhibitoren zu entwickeln, die den JAK-STAT-Signalweg blockieren, was sich in der erfolgreichen Implementierung von Tyrosinkinase-Inhibitoren, wie Imatinib, als Standard für die Versorgung verschiedener Leukämie-Subtypen widerspiegelt. Trotz dieses enormen Erfolges für personalisierte und zielgerichtete Therapieentwicklung und signifikante Verbesserungen der therapeutischen Möglichkeiten für Leukämiepatienten, ist die Entwicklung von Resistenzen gegen Tyrosinkinase-Inhibitoren aufgrund von Tumorheterogenität oder sekundären Mutationen eine große Herausforderung. Neben Tyrosinkinasen wurden STATs, insbesondere STAT5, als wertvolle Ziele für die Wirkstoffforschung in Verbindung gebracht, da sie am Konvergenzpunkt vieler Signalwege sitzen und durch eine Vielzahl von aufwärts gelegenen Kinasen in einer Vielzahl von Krebsarten aktiviert werden. In der Tat ist das direkte „Targeting“ von STAT5 ein Bereich der aktiven Forschung in der medizinischen Chemie, bleibt jedoch aufgrund der Beschränkungen in Spezifität, Potenz und in vivo Aktivität herausfordernd, was neue Ansätze zur Hemmung dieses onkogenen Transkriptionsfaktors erforderlich macht. In einem multidisziplinären Ansatz, der Molekularbiologen, Medizinalchemiker und Kliniker vereint, entwickelten und charakterisierten wir eine neue chemische Verbindung, AC-4-130, die direkt an die STAT5 SH2-Domäne bindet und somit deren Aktivierung und Transkription von „Downstream“-Onkogenen in einem niedrigen mikromolaren Bereich hemmt. Mit AML-Zelllinien und Primärmaterial von gesunden Individuen und AML-Patienten konnten wir zeigen, dass insbesondere Zellen, die von FLT3-ITD gesteuert werden, empfindlich auf AC-4-130 reagieren, während gesunde Zellen weitgehend unbeeinflusst sind. Darüber hinaus konnten wir in einem Xenograft-AML-Modell eine signifikante Abnahme des Tumorwachstums nachweisen, ohne die gesunde Stammzellpopulation zu beeinflussen. Schließlich zeigte ein Highthroughput-Screening für Arzneimittelkombinationen vielversprechende Ergebnisse auf, wenn AC-4-130 mit Tyrosinkinase-Inhibitoren oder epigenetischen Arzneimitteln gepaart wurde, was eine zukünftige Perspektive der STAT5-Hemmung in einer klinischen Studie zur Folge haben könnte. Zweifelsohne wird die Weiterentwicklung und detailliertere Charakterisierung dieser Verbindung in naher Zukunft zu Wirkstoffen führen, die wertvolle Werkzeuge für mechanistische Studien zu bislang unbekannten Funktionen von STATs sowie für wichtige Therapeutika für Patienten mit FLT3-ITD-getriebener AML oder anderen STAT5-getriebenen hämatopoetischen Krebsarten darstellen.The pathogenesis of human cancer is frequently associated with inappropriate functions of otherwise normal signaling pathways. Consequently, oncogenic transcription factors, a major dependency of cancer cells, are considered as attractive therapeutic targets for drug discovery. Although generally considered as “undruggable”, emerging chemical approaches to modulate transcription factor functions, including methods to stabilize or degrade transcription factors or to interfere with interaction partners and cofactors, initiated a new era of research focusing on these so far challenging targets. Constitutive activation of the JAK-STAT pathway is one of the most common underlying causes of hematopoietic cancers. Extensive efforts have been ongoing to develop inhibitors that interfere with JAK-STAT signaling reflected by the successful implementation of tyrosine kinase inhibitors, such as Imatinib, as standard-of-care for various leukemia subtypes. Despite this tremendous success for personalized and targeted therapy and significant improvements in therapeutic options for leukemia patients, development of resistance to tyrosine kinase inhibitors due to tumor heterogeneity or secondary mutations constitutes a major challenge. Besides tyrosine kinases, STATs, particularly STAT5, have been implicated as valuable targets for drug discovery as they sit at the convergence point of many signaling pathways and are activated by a plethora of upstream kinases in a variety of cancers. Indeed, direct targeting of STAT5 is an area of active research in medicinal chemistry but remains challenging due to limitations in specificity, potency, and in vivo bioavailability, necessitating new approaches to inhibit this oncogenic transcription factor. In a multidisciplinary approach, unifying molecular biologists, medicinal chemists, and clinicians, we developed and characterized a novel chemical lead compound, AC-4-130, that directly binds into the STAT5 SH2 domain and consequently inhibits its activation and the transcription of downstream oncogenes in a low micromolar range. Using AML cell lines and primary material from healthy individuals and AML patients, we could show that particularly cells driven by FLT3-ITD were sensitive to AC-4-130 whereas healthy cells were largely unaffected. In addition, we could show a significant decrease in tumor growth in a xenograft AML model without affecting the healthy stem cell population. Finally, a high throughput screen for drug combinations pinpointed promising effects when AC-4-130 was paired with tyrosine kinase inhibitors or epigenetic drugs, presenting a future perspective of STAT5 inhibition in a clinical setting. Certainly, further development and more detailed characterization of this lead compound will produce agents that will be valuable tools for mechanistic studies into yet unknown functions of STATs as well as important therapeutics for patients with FLT3-ITD driven AML or other STAT5 driven hematopoietic cancers in the near future.submitted by Bettina WingelhoferAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersMedizinische Universität Wien, Diss., 2018(VLID)276378