In vivo study of human acute myeloid leukemia

Les leucémies aigües myéloïdes (LAM) sont les leucémies les plus fréquentes chez l'adulte, caractérisée par l'expansion clonale de myéloblastes immatures. Malgré un taux élevé de rémission complète après chimiothérapie conventionnelle d'induction, le pronostic est mauvais dans les LAM à cause de fréquentes rechutes. Les rechutes sont causées par une population leucémique chimiorésistante (CLR), pouvant être enrichies en cellules souches leucémiques quiescentes (CSL). Cependant, ces hypothèses n'ont jamais été testées directement in vivo. Mon travail de thèse a été initialement consacré à valider cette hypothèse in vivo. Nous avons d'abord développé une approche chimiothérapeutique cliniquement pertinente, en traitant avec de la cytarabine (AraC) des souris préalablement xénogreffées à partir de cellules primaires (PDX) de patients atteints de LAM pour caractériser leurs cellules résiduelles post-AraC. Cette population résiduelle et résistante n'est pas nécessairement enrichie en cellules immatures ou en cellules quiescentes et non plus en cellules initiatrices de leucémie. Les cellules résistantes à la chimiothérapie in vivo ont par contre conservé des mitochondries actives, présentent une oxydation accrue des acides gras et une signature génique spécifique, définissant un statut de phosphorylation oxydative élevé ("OxPHOS High"). Le traitement des lignées cellulaires de LAM "OxPHOS High" a démontré une résistance à la chimiothérapie in vivo contrairement aux lignées cellulaires avec un statut "OxPHOS Low". Cibler le statut "OxPHOS High" induit un changement énergétique vers le statut "Low OxPHOS" et améliore l'effet antileucémique de l'AraC.Dans la deuxième partie de mon doctorat, nous avons identifié l'ecto-nucléoside triphosphate diphosphohydrolase-1 CD39 (ENTPD1) surexprimée dans les CLR in vivo après AraC par analyses transcriptomiques des cellules résistantes in vivo. Par cytométrie en flux (FACS), nous avons confirmé que l'AraC augmente l'expression de CD39 à la surface cellulaire des lignées de LAM in vitro et in vivo ainsi que dans 24 modèles PDX. Nous avons également observé cette augmentation chez 50 patients après 35 jours de chimiothérapie intensive par rapport au diagnostic. Fait intéressant, une expression élevée de CD39 chez les patients atteints de LAM est associée à une mauvaise réponse à l'AraC in vivo. Nous avons en outre démontré que la voie de signalisation en aval de CD39 dépend de l'axe AMPc-PKA et son inhibition par H89 sensibilise les cellules de LAM à l'AraC en inhibant PGC1a, TFAM et la fonction OxPHOS mitochondrial. [...]Acute myeloid leukemia (AML) is the most common adult leukemia characterized by clonal expansion of immature myeloblasts. Despite a high rate of complete remission after conventional front-line induction chemotherapy (e.g. daunorubicin or idarubicin plus cytarabine), the prognosis is very poor in AML. This unfavorable overall survival is caused by frequent relapses due to chemoresistant leukemic cell populations (RLCs) in AML. RLCs are thought to be enriched in quiescent leukemic stem/immature cells (LSCs). However, these hypotheses have never been tested directly in vivo. My PhD work was devoted to validate this hypothesis in vivo. We first developed a clinically relevant chemotherapeutic approach treating patient derived xenografts (PDX) with cytarabine (AraC) to characterize AraC residual cells. AraC-treated AML cells are not necessarily enriched for neither immature cells or quiescent (G0) cells or leukemic initiating cells (LICs). Rather chemotherapy resistant cells in vivo have high levels of reactive oxygen species (ROS), showed increased mitochondrial mass, and retained active mitochondria, consistent with a high oxidative phosphorylation (OxPHOS) status. AraC residual cells exhibited increased fatty acid oxidation and a high OxPHOS gene signature predictive for treatment response in PDX and patients. Treatment of High OxPHOS but not Low OxPHOS human AML cell lines demonstrated chemotherapy resistance in vivo. Targeting mitochondrial metabolism induced an energetic shift toward low OxPHOS status and markedly enhanced antileukemic effects of AraC in AML. In the second part of my PhD study, we identified ecto-nucleoside triphosphate diphosphohydrolase-1 CD39 (ENTPD1) overexpressed in RLCs in vivo after chemotherapy. We confirmed that AraC increased cell surface CD39 expression in AML cell lines in vitro and in vivo as well as in 24 diverse PDX models. We further observed this increase in 50 patients at 35-days post-intensive chemotherapy compared to their respective diagnosis. Interestingly, high CD39 expression on AML patients was associated with a worse response to AraC in vivo. We furthermore demonstrated that CD39 downstream signaling pathway was dependent on cAMP-PKA axis and its inhibition by H89 sensitized AML cells to AraC through the inhibition of PGC1a, TFAM and mitochondrial OxPHOS function.[...