Acute myeloid leukemias are a group of hematological malignancies characterized by a poor prognosis for survival. The discovery of oncogenic mutations in the FMS-like tyrosine kinase 3 (FLT3) gene has led to the development of tyrosine kinase inhibitors such as quizartinib. However, achieving complete remission in patients remains challenging because these new tyrosine kinase inhibitors (TKIs) are unable to completely eradicate all leukemic cells. Residual leukemic cells persist during quizartinib treatment, leading to the rapid emergence of drug-resistant leukemia. Given that mitochondrial oxidative metabolism promotes the survival of leukemic cells after exposure to multiple anticancer drugs, we characterized the metabolism of leukemic cells that persisted during quizartinib treatment and developed metabolic strategies to eradicate them. In our study, employing biochemical and metabolomics approaches, we confirmed that the survival of leukemic cells treated with FLT3 inhibitors critically depends on maintaining mitochondrial metabolism, specifically through glutamine oxidation. We uncovered a synergistic interaction between the FLT3 inhibitor quizartinib and L-asparaginase, operating through antimetabolic mechanisms. Utilizing various models of persistent leukemia, we demonstrated that leukemic cells resistant to quizartinib are susceptible to L-asparaginase. This combined therapeutic strategy shows promise in reducing the development of resistance to FLT3 inhibitors, offering a potential strategy to enhance treatment outcomes.

Abstract Long-term treatment with tyrosine kinase inhibitors (TKI) represents an effective treatment for chronic myeloid leukemia (CML) and discontinuation of TKI therapy is now proposed to patient with deep molecular responses. However, evidence demonstrating that TKI are unable to fully eradicate dormant leukemic stem cells indicate that new therapeutic strategies are needed to prevent molecular relapses. We investigated the metabolic pathways responsible for CML surviving to Imatinib exposure and its potential therapeutic utility to improve the efficiency of TKI against CML stem cells. Using complementary cell-based techniques, we demonstrated that TKI suppressed glycolysis in a large panel of BCR-ABL1 + cell lines as well as in primary CD34+ stem-like cells from CML patients. However, compensatory glutamine-dependent mitochondrial oxidation supported ATP synthesis and CML cell survival. Glutamine metabolism was inhibited by L-asparaginases such as Kidrolase without inducing predominant CML cell death. Clinically relevant concentrations of TKI render CML progenitors and stem cells susceptible to Kidrolase. The combination of TKI with L-asparaginase reactivated the intinsic apoptotic pathway leading to efficient CML cell death. Thus, targeting glutamine metabolism with the clinically-approved drug Kidrolase, in combination with TKI that suppress glycolysis represents an effective and widely applicable therapeutic strategy for eradicating CML stem cells.