Abstract Heterozygous defects in runt-related transcription factor-1 (RUNX1) are causative of a familial platelet disorder with associated myeloid malignancy (FPDMM). Since RUNX1-deficient animal models do not mimic FPDMM’s bleeding disorder or leukemic risk, establishment of a proper model system is critical to understand the underlying mechanisms of the observed phenotype and to identify therapeutic interventions. We previously reported an in vitro -megakaryopoiesis system using human CD34 + -hematopoietic stem and progenitor cells that recapitulated the FPDMM quantitative megakaryocyte defect by decreasing RUNX1 expression using a lentiviral short-hairpin RNA (shRNA for RUNX1 or shRX) strategy. We now show that shRX-megakaryocytes have a marked reduction in agonist responsiveness. We then infused shRX-megakaryocytes into immunocompromised NOD-SCID gamma (NSG) mice and demonstrated that these megakaryocytes released fewer platelets than megakaryocytes transfected with a non-targeting shRNA, and these platelets had a diminished half-life. The platelets were also poorly responsive to agonists, unable to correct thrombus formation in NSG mice homozygous for a R1326H mutation in von Willebrand Factor (VWF R1326H ), which switches species-binding specificity of the VWF from mouse to human glycoprotein Ibα. A small-molecule inhibitor RepSox, which blocks the transforming-growth factor beta pathway, and which rescued defective megakaryopoiesis in vitro , corrected the thrombopoietic defect, platelet half-life and agonist response, and thrombus formation in NSG/VWF R1326H mice. Thus, this model recapitulates the defect in FPDMM megakaryocytes and platelets, identifies previously unrecognized defects in thrombopoiesis and platelet half-life, and demonstrates, for the first time, reversal of RUNX1 deficiency’s hemostatic defects by a drug. Key Points RUNX1-deficient megakaryocytes exhibit thrombopoietic and platelet defects in NSG/VWF R1326H mice. Pre-exposure of RUNX1-deficient megakaryocytes to a TGFβ1-pathway inhibitor ameliorated both defects, correcting hemostasis.

Venous thrombosis (VT) is a common vascular disease associated with reduced survival and a high recurrence rate. Previous studies have shown that the accumulation of platelets and neutrophils at sites of endothelial cell activation is a primary event in VT, but a role for platelet αIIbβ3 in the initiation of venous thrombosis has not been established. This task has been complicated by the increased bleeding linked to partial agonism of current αIIbβ3 inhibitory drugs such as tirofiban (Aggrastat). Here, we show that m-tirofiban, an engineered version of tirofiban, is not a partial agonist of αIIbβ3. This is based on its cryo-EM structure in complex with human full-length αIIbβ3 and its inability to increase expression of an activation-sensitive epitope on platelet αIIbβ3. m-tirofiban abolished agonist-induced platelet aggregation ex vivo at concentrations that preserved clot retraction and markedly suppressed the accumulation of platelets, neutrophils, and fibrin on thrombin-activated endothelium in real-time using intravital microscopy in a mouse model of venous thrombogenesis. Unlike tirofiban, however, m-tirofiban did not increase bleeding at the thrombosis-inhibitory dose. These findings establish a key role for αIIbβ3 in the initiation of VT, provide a guiding principle for designing potentially safer inhibitors for other integrins, and suggest that pure antagonists of αIIbβ3 like m-tirofiban merit further consideration as potential thromboprophylaxis agents in patients at high-risk for VT and hemorrhage.

A prevailing dogma is that effective inhibition of vascular thrombosis by therapeutic targeting of platelet integrin αIIbβ3 cannot be achieved without compromising hemostasis. The resulting serious bleeding and increased morbidity and mortality have limited use of current anti-αIIbβ3 drugs to high-risk cardiac patients. It is speculated that these adverse outcomes result from drug-induced conformational changes in αIIbβ3 but direct proof is lacking. We used structure-guided design to generate the ligand-mimetic peptide Hr10 and a modified form of the partial agonist drug Tirofiban that now act as “pure” orthosteric antagonists of αIIbβ3, i.e. they no longer induce the conformational changes in αIIbβ3 and also suppress these changes in presence of agonists. Both agents inhibited human platelet aggregation effectively but without interfering with clot retraction. When tested in a humanized mouse model of thrombosis predictive of clinical efficacy, Hr10 was as effective as the αIIbβ3 partial agonist peptide drug Eptifibatide in inhibiting arteriolar thrombosis, but in sharp contrast to Eptifibatide, Hr10 did not cause serious bleeding, establishing a causal link between partial agonism and impaired hemostasis. Pure orthosteric inhibitors of αIIbβ3 may thus offer safer alternatives for human therapy. Our structure-guided approach may also find utility in designing similar drug candidates targeting other integrins and in providing vital tools for further probing structure-activity relationships in integrins.