A combinação do inibidor de BCL2 venetoclax (VEN) com agentes hipometilantes (por exemplo, azacitidina, AZA) aumentou significativamente as taxas de remissão completa (RC) e prolongou a sobrevida global de adultos com leucemia mieloide aguda (LMA) que não eram elegíveis para quimioterapia intensiva. No entanto, VEN+AZA não são um tratamento curativo e a resistência a VEN e/ou recidivas são comuns. Portanto, é necessária a busca de novos agentes capazes de superar a resistência do VEN. O presente estudo objetivou analisar o efeito da cefalocromina (CPC), um composto natural obtido do Comospora vilior, em células de LMA. Inicialmente, CPC e VEN foram avaliados em monoterapia num painel de linhagens celulares de LMA (n = 12). Com 72h de incubação, os valores de concentração inibitória 50% (IC50) para CPC variaram de 0,45 a >20 μM entre as linhagens, enquanto os valores para VEN variaram de <0,001 a 17,5 μM. Para avaliar os efeitos citotóxicos do CPC em células saudáveis, tratamos células mononucleares de sangue periférico humano de 4 doadores saudáveis, e os valores de IC50 variaram de 3,7 a 8,8 μM, o que indica a existência de uma janela terapêutica. Para avaliar os efeitos da combinação de CPC + VEN na LMA, realizamos experimentos em modelos escolhidos com base em sua sensibilidade ao VEN (células Kasumi-1 e U937 como parcialmente resistentes e OCI-AML3 exibindo maior resistência VEN). Os efeitos combinados em todos os modelos de LMA revelaram maior efeito anti-leucêmico do VEN quando combinado ao CPC. Em seguida, avaliamos quais mecanismos moleculares estariam subjacentes a esse sinergismo. Células de LMA tratadas com CPC apresentaram aumento da população sub-G1 (células apoptóticas) de maneira dose-dependente, o que foi ainda corroborado pelo aumento dos níveis de Anexina-V nas células tratadas. Os efeitos do CPC na indução da apoptose foram mais evidentes nas células Kasumi-1 quando comparadas com as células U937 e OCI-AML3. Nas células OCI-AML3 (que exibem a maior expressão de MCL1), a combinação de baixas concentrações de VEN (1 μM) e CPC (1,8 μM) mostrou uma indução de apoptose em 95% das células. Da mesma forma, a combinação CPC + VEN resultou em níveis mais elevados de indução de apoptose em células U937 e Kasumi-1 (portadora da mutação em TP53 R248Q). A análise metabólica das células tratadas com CPC revelou danos mitocondriais associados à redução da massa mitocondrial. A análise proteômica mostrou aumento dos níveis de clivagem de PARP1 (apoptose) e γH2AX (dano ao DNA) após o tratamento com CPC em todos os modelos avaliados, enquanto MCL1 foi reduzido em células Kasumi-1. Além disso, os níveis de SQSTM1/p62 foram reduzidos nas células U937 e Kasumi-1, sugerindo indução de autofagia pelo CPC. Finalmente, esses achados foram confirmados em uma coorte de amostras de LMA tratadas ex vivo (n = 10) tratadas com CPC e VEN isoladamente ou em combinação. Em resumo, o tratamento com CPC foi capaz de diminuir a viabilidade celular e a sobrevivência das células de LMA, enquanto poupa as contrapartes saudáveis. O tratamento com CPC causou lesão à integridade mitocondrial, dano ao DNA e diminuiu a expressão de proteínas relacionadas à resistência de VEN em LMA, possivelmente explicando os efeitos sinérgicos observados entre VEN e CPC.