Acute myeloid leukemia (AML) is the most common acute leukemia in adults. Leukemia stem cells (LSCs) drive the initiation and perpetuation of AML, are quantifiably associated with worse clinical outcomes, and often persist after conventional chemotherapy resulting in relapse1–5. In this report, we show that treatment of older patients with AML with the B cell lymphoma 2 (BCL-2) inhibitor venetoclax in combination with azacitidine results in deep and durable remissions and is superior to conventional treatments. We hypothesized that these promising clinical results were due to targeting LSCs. Analysis of LSCs from patients undergoing treatment with venetoclax + azacitidine showed disruption of the tricarboxylic acid (TCA) cycle manifested by decreased α-ketoglutarate and increased succinate levels, suggesting inhibition of electron transport chain complex II. In vitro modeling confirmed inhibition of complex II via reduced glutathionylation of succinate dehydrogenase. These metabolic perturbations suppress oxidative phosphorylation (OXPHOS), which efficiently and selectively targets LSCs. Our findings show for the first time that a therapeutic intervention can eradicate LSCs in patients with AML by disrupting the metabolic machinery driving energy metabolism, resulting in promising clinical activity in a patient population with historically poor outcomes. Targeting of mitochondrial metabolism in combination with BCL-2 inhibition eradicates leukemia stem cells and induces long-lasting responses in patients with acute myeloid leukemia.

In this study we interrogated the metabolome of human acute myeloid leukemia (AML) stem cells to elucidate properties relevant to therapeutic intervention. We demonstrate that amino acid uptake, steady-state levels, and catabolism are all elevated in the leukemia stem cell (LSC) population. Furthermore, LSCs isolated from de novo AML patients are uniquely reliant on amino acid metabolism for oxidative phosphorylation and survival. Pharmacological inhibition of amino acid metabolism reduces oxidative phosphorylation and induces cell death. In contrast, LSCs obtained from relapsed AML patients are not reliant on amino acid metabolism due to their ability to compensate through increased fatty acid metabolism. These findings indicate that clinically relevant eradication of LSCs can be achieved with drugs that target LSC metabolic vulnerabilities.

Abstract Acute myeloid leukemia stem cells (LSCs) are uniquely reliant on oxidative phosphorylation (OXPHOS) for survival. Moreover, maintenance of OXPHOS is dependent on BCL-2, creating a therapeutic opportunity to target LSCs using the BCL-2 inhibitor venetoclax. Although venetoclax-based regimens have shown promising clinical activity, the emergence of drug resistance is prevalent. Thus, in the present study, we investigated how mitochondrial properties may influence venetoclax responsiveness. Our data show that utilization of mitochondrial calcium is fundamentally different between drug-responsive and nonresponsive LSCs. By comparison, venetoclax-resistant LSCs demonstrate an active metabolic (i.e., OXPHOS) status with relatively high levels of calcium. Consequently, we tested genetic and pharmacological approaches to target the mitochondrial calcium uniporter. We demonstrate that inhibition of calcium uptake reduces OXPHOS and leads to eradication of venetoclax-resistant LSCs. These findings demonstrate a central role for calcium signaling in LSCs and provide an avenue for clinical management of venetoclax resistance. Significance: We identify increased utilization of mitochondrial calcium as a distinct metabolic requirement of venetoclax-resistant LSCs and demonstrate the potential of targeting mitochondrial calcium uptake as a therapeutic strategy.

We previously reported that acute myeloid leukemia stem cells (LSCs) are uniquely reliant on oxidative phosphorylation (OXPHOS) for survival. Moreover, maintenance of OXPHOS is dependent on BCL2, creating a therapeutic opportunity to target LSCs using the BCL2 inhibitor drug venetoclax. While venetoclax-based regimens have indeed shown promising clinical activity, the emergence of drug resistance is prevalent. Thus, in the present study, we investigated how mitochondrial properties may influence mechanisms that dictate venetoclax responsiveness. Our data show that utilization of mitochondrial calcium is fundamentally different between drug responsive and non-responsive LSCs. By comparison, venetoclax-resistant LSCs demonstrate a more active metabolic (i.e., OXPHOS) status with relatively high steady-state levels of calcium. Consequently, we tested genetic and pharmacological approaches to target the mitochondrial calcium uniporter, MCU. We demonstrate that inhibition of calcium uptake sharply reduces OXPHOS and leads to eradication of venetoclax-resistant LSCs. These findings demonstrate a central role for calcium signaling in the biology of LSCs and provide a therapeutic avenue for clinical management of venetoclax resistance.