Abstract Mcl-1 is a member of the Bcl-2 family of proteins that promotes cell survival by preventing induction of apoptosis in many cancers. High expression of Mcl-1 causes tumorigenesis and resistance to anticancer therapies highlighting the potential of Mcl-1 inhibitors as anticancer drugs. Here, we describe AZD5991, a rationally designed macrocyclic molecule with high selectivity and affinity for Mcl-1 currently in clinical development. Our studies demonstrate that AZD5991 binds directly to Mcl-1 and induces rapid apoptosis in cancer cells, most notably myeloma and acute myeloid leukemia, by activating the Bak-dependent mitochondrial apoptotic pathway. AZD5991 shows potent antitumor activity in vivo with complete tumor regression in several models of multiple myeloma and acute myeloid leukemia after a single tolerated dose as monotherapy or in combination with bortezomib or venetoclax. Based on these promising data, a Phase I clinical trial has been launched for evaluation of AZD5991 in patients with hematological malignancies (NCT03218683).

Gaining insight into the uptake of drugs into cells, trafficking and their target engagement enhances understanding of the drug's function and efficiency. Here we study an antisense oligonucleotide drug (ASO) delivered into HEK293T and HeLa cells, by Nuclear Magnetic Resonance (NMR). Using a combination of transfection, cryoprotection and dynamic nuclear polarization (DNP), we were able to detect the drug directly in intact frozen cells. Activity of the drug was confirmed by qRT-PCR, measuring downregulation of its target mSTAT3. Applying DNP NMR to frozen cells, we overcome limitations of traditional solution-state in-cell NMR (e.g. size, stability and sensitivity) as well as of visualization techniques, where (e.g. fluorescent) tagging of the ASO decreases its activity. The possibility to study an untagged, active drug, interacting in its natural environment, will increase insights into molecular mechanisms of delivery, intracellular trafficking and target engagement in intact cells.