Therapeutic Potential of Carbonic Anhydrase IX Inhibitors in Multiple Myeloma

Multiple Myeloma (MM) arises from the clonal proliferation of malignant plasma cells in the bone marrow (BM). Since BM niches are characterized by low oxygen levels, MM cells have to adapt their metabolism to the hypoxic BM milieu. This generates high quantities of toxic metabolic acids that induce the expression of various proteins involved in the prevention of H+ ions accumulation and in the maintenance of the intracellular pH balance. In this context, Carbonic Anhydrase IX (CAIX), a hypoxia-induced cell-surface enzyme, sustains cancer cell survival under hypoxic and acidosis conditions by regulating intracellular pH. Indeed, CAIX overexpression has been reported in several types of solid cancer and it correlates with poor prognosis. However, no data are available about the impact of CAIX in MM. On this basis, here we investigated in vitro and in vivo the anti-myeloma activity of two prototypic CAIX inhibitors: the clinical grade drug SLC-0111 and its promising derivative FC-531. We first observed that MM cells express high levels of CAIX under both normoxic and hypoxic conditions and that CAIX expression strongly correlates with poor overall survival of MM patients. In keeping with our hypothesis, CAIX inhibitors significantly impaired in vitro and in vivo the growth and survival of multiple myeloma cells sensitive and resistant to the proteasome inhibitor bortezomib, a standard therapy for MM. Mechanistically, CAIX inhibition strongly induced mitochondrial reactive oxygen species (ROS) production, mitochondrial membrane depolarization and apoptotic cell death that were prevented by the antioxidant vitamin E. Also, both CAIX inhibitors reduced the capacity of MM cells to migrate toward chemotactic stimuli in vitro, and suppressed MM cell homing to the bone marrow in vivo, suggesting that CAIX may play a crucial role in MM cell dissemination. Of particular importance from a translational standpoint, both CAIX inhibitors combined with bortezomib (i) potentiated bortezomib anti-myeloma effects on bortezomib-sensitive MM cells and (ii) overcame bortezomib resistance on bortezomib-resistant MM cells. These findings were confirmed on bone marrow–derived primary multiple myeloma cells from newly diagnosed and relapsed/refractory patients. Altogether our findings demonstrate the therapeutic potential of CAIX inhibitors as single agents or in combination with proteasome inhibitors for both naïve and relapsed/refractory MM patients.

Il Mieloma Multiplo (MM) è una neoplasia ematologica caratterizzata dalla proliferazione clonale di plasmacellule maligne all’interno del midollo osseo. Poiché le nicchie del midollo osseo sono contraddistinte da condizioni di ipossia, le cellule di MM devono adattare il loro metabolismo al microambiente povero di ossigeno. Tale adattamento conduce alla produzione di alte quantità di metaboliti acidi tossici che inducono l’espressione di numerose proteine deputate alla prevenzione dell’accumulo intracellulare di ioni H+, e nel mantenimento dell’omeostasi del pH. In questo contesto, l’Anidrasi Carbonica IX (CAIX), un enzima transmembrana la cui trascrizione è indotta da condizioni ipossiche, svolge un ruolo chiave nel sostenere la sopravvivenza delle cellule tumorali in ambienti ipossici e acidificati mediante la regolazione del pH intracellulare. L’over-espressione di CAIX è stata documentata in numerose neoplasie solide dove essa correla con una prognosi sfavorevole; tuttavia, ad oggi non sono disponibili evidenze riguardanti l’impatto di CAIX nel MM. Sulla base di tali evidenze, il presente studio ha valutato l’attività anti-mieloma di due inibitori di CAIX, il composto solfonamidico SLC-0111 già testato in trial clinici (Fase Ib/II) e il suo derivato FC-531. Abbiamo quindi osservato che le cellule di MM esprimono CAIX ad alti livelli sia in condizioni ipossiche che normossiche e che l’espressione di CAIX correla con una prognosi sfavorevole dei pazienti di MM. In accordo con la nostra ipotesi, entrambi gli inibitori di CAIX hanno significativamente ridotto sia in vitro che in vivo la crescita e la sopravvivenza di cellule di MM sensibili e resistenti all’inibitore del proteasoma bortezomib, terapia standard per il MM. A livello meccanicistico, l’inibizione di CAIX ha fortemente indotto la produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) mitocondriali, la depolarizzazione della membrana mitocondriale e l’apoptosi cellulare, eventi invece non osservati aggiungendo al mezzo di coltura l’antiossidante vitamina E. Inoltre, entrambi gli inibitori di CAIX hanno significativamente ridotto la capacità delle cellule di MM di migrare verso uno stimolo chemotattico in vitro e ne hanno soppresso l’homing midollare in vivo, suggerendo un ruolo cruciale di CAIX nella disseminazione delle cellule di MM. Di particolare importanza dal punto di vista traslazionale, entrambi gli inbitori di CAIX in combinazione con bortezomib hanno (i) potenziato gli effetti del bortezomib in cellule sensibili a inibitori del proteosoma e (ii) superato la resistenza al bortezomib in cellule resistenti. Questi risultati sono stati confermati in cellule primarie di MM derivanti da pazienti di nuova diagnosi e refrattari/recidivati. In conclusione, questi dati dimostrano il potenziale terapeutico degli inibitori di CAIX come singoli agenti o in combinazione con inibitori del proteosoma per il trattamento di pazienti affetti da MM sia di nuova diagnosi che refrattari/recidivati.