Despite being FDA-approved for COVID-19, the clinical efficacy of remdesivir (Veklury®) remains contentious. We previously pointed out pharmacokinetic, pharmacodynamic and toxicology reasons for why its parent nucleoside GS-441524, is better suited for COVID-19 treatment. Here, we assess the oral bioavailability of GS-441524 in beagle dogs and show that plasma concentrations ~24-fold higher than the EC50 against SARS-CoV-2 are easily and safely sustained. These data support translation of GS-441524 as an oral agent for COVID-19.

Infections with the pathogenic free-living amoebae Naegleria fowleri can lead to life-threatening illnesses including catastrophic primary amoebic meningoencephalitis (PAM). Efficacious treatment options for these infections are lacking and the mortality rate remains >95% in the US. Glycolysis is very important for the infectious trophozoite lifecycle stage and inhibitors of glucose metabolism have been found to be toxic to the pathogen. Recently, human enolase 2 (ENO2) phosphonate inhibitors have been developed as lead agents to treat glioblastoma multiforme (GBM). These compounds, which cure GBM in a rodent model, are well-tolerated in mammals because enolase 1 (ENO1) is the predominant isoform used systemically. Here, we describe findings that demonstrate these agents are potent inhibitors of N. fowleri ENO (NfENO) and are lethal to amoebae. In particular, (1-hydroxy-2-oxopiperidin-3-yl) phosphonic acid (HEX) was a potent enzyme inhibitor (IC50 = 0.14 ± 0.04 μM) that was toxic to trophozoites (EC50 = 0.21 ± 0.02 μM) while the reported CC50 was >300 μM. Molecular docking simulation revealed that HEX binds strongly to the active site of NfENO with a binding affinity of -8.6 kcal/mol. Metabolomic studies of parasites treated with HEX revealed a 4.5 to 78-fold accumulation of glycolytic intermediates upstream of NfENO. Last, nasal instillation of HEX increased longevity of amoebae-infected rodents. Two days after infection, animals were treated for 10 days with 3 mg/kg HEX, followed by one week of observation. At the end of the one-week observation, eight of 12 HEX-treated animals remained alive (resulting in an indeterminable median survival time) while one of 12 vehicle-treated rodents remained, yielding a median survival time of 10.9 days. However, intranasal HEX delivery was not curative as brains of six of the eight survivors were positive for amoebae. These findings suggest that HEX requires further evaluation to develop as a lead for treatment of PAM.

Abstract The phosphonate group is a key pharmacophore in many anti-viral, anti-microbial, and anti-neoplastic drugs. Due to its high polarity and short retention time, detecting and quantifying such phosphonate-containing drugs with LC/MS-based methods is challenging and requires derivatization with hazardous reagents. Given the emerging importance of phosphonate-containing drugs, developing a practical, accessible, and safe method for their quantitation in pharmacokinetics (PK) studies is desirable. NMR-based methods are often employed in drug discovery but are seldom used for compound quantitation in PK studies. Here, we show that proton-phosphorous ( 1 H- 31 P) heteronuclear single quantum correlation (HSQC) NMR allows for quantitation of the phosphonate-containing enolase inhibitor HEX in plasma and tissue at micromolar concentrations. Although mice were shown to rapidly clear HEX from circulation (over 95% in <1 hr), the plasma half-life of HEX was more than 1hr in rats and nonhuman primates. This slower clearance rate affords a significantly higher exposure of HEX in rat models compared to mouse models while maintaining a favorable safety profile. Similar results were observed for the phosphonate-containing antibiotic, fosfomycin. Our study demonstrates the applicability of the 1 H- 31 P HSQC method to quantify phosphonate-containing drugs in complex biological samples and illustrates an important limitation of mice as preclinical model species for phosphonate-containing drugs.

ABSTRACT Infections with the pathogenic free-living amoebae Naegleria fowleri can lead to life-threatening illnesses including catastrophic primary amebic meningoencephalitis (PAM). Efficacious treatment options for these infections are lacking and the mortality rate remains >95% in the US. Glycolysis is very important for the infectious trophozoite lifecycle stage and inhibitors of glucose metabolism have been found to be toxic to the pathogen. Recently, human enolase 2 (ENO2) phosphonate inhibitors have been developed as lead agents to treat glioblastoma multiforme (GBM). These compounds, which cure GBM in a rodent model, are well-tolerated in mammals because enolase 1 (ENO1) is the predominant isoform used systemically. Here, we describe findings that demonstrate that these agents are potent inhibitors of N. fowleri ENO ( Nf ENO) and are lethal to amoebae. In particular, (1-hydroxy-2-oxopiperidin-3-yl) phosphonic acid (HEX) was a potent enzyme inhibitor (IC 50 value of 0.14 ± 0.04 µM) that was toxic to trophozoites (EC 50 value of 0.21 ± 0.02 µM) while the reported CC 50 was >300 µM. Molecular docking simulation revealed that HEX binds strongly to the active site of Nf ENO with a binding affinity of –8.6 kcal/mol. Metabolomic studies of parasites treated with HEX revealed a 4.5 to 78-fold accumulation of glycolytic intermediates upstream of Nf ENO. Last, nasal instillation of HEX increased longevity of amoebae-infected rodents. Two days after infection, animals were treated for 10 days with 3 mg/kg HEX, followed by one week of observation. At the conclusion of the experiment, eight of 12 HEX-treated animals remained alive (resulting in an indeterminable median survival time) while one of 12 vehicle-treated rodents remained, yielding a median survival time of 10.9 days. Brains of six of the eight survivors were positive for amoebae, suggesting the agent at the tested dose suppressed, but did not eliminate, infection. These findings suggest that HEX is a promising lead for the treatment of PAM.

Phosphate and phosphonates containing a single P-N bond are frequently used pro-drug motifs to improve cell permeability of these otherwise anionic moieties. Upon entry into the cell, the P-N bond is cleaved by phosphoramidases to release the active agent. Here, we apply a novel mono-amidation strategy to our phosphonate-containing glycolysis inhibitor and show that a diverse panel of phosphonoamidates may be rapidly generated for in vitro screening. We show that, in contrast to the canonical L-alanine or benzylamine moieties which have previously been reported as efficacious pro-drug moieties, small aliphatic amines demonstrate greater drug release efficacy for our phosphonate inhibitor. These results expand the scope of possible amine pro-drugs that can be used as second pro-drug leave groups for phosphate or phosphonate-containing drugs.

Extensive efforts have been made to use non-invasive 1H magnetic resonance (MR) spectroscopy to quantify metabolites that are diagnostic of specific disease states. Within the realm of precision oncology, these efforts have largely centered on quantifying 2-hydroxyglutarate (2-HG) in tumors harboring isocitrate dehydrogenase 1 (IDH1) mutations. As many metabolites have similar chemical shifts, the resulting 1H spectra of intact biological material are highly convoluted, limiting the application of 1H MR to high abundance metabolites. Hydrogen-Carbon Heteronuclear single quantum correlation 1H-13C HSQC is routinely employed in organic synthesis to resolve complex spectra but has received limited attention for biological studies. Here, we show that 1H-13C HSQC offers a dramatic improvement in sensitivity compared to one-dimensional (1D) 13C NMR and dramatic signal deconvolution compared to 1D 1H spectra in an intact biological setting. Using a standard NMR spectroscope without specialized signal enhancements features such as magic angle spinning, metabolite extractions or 13C-isotopic enrichment, we obtain well-resolved 2D 1H-13C HSQC spectra in live cancer cells, in ex-vivo freshly dissected xenografted tumors and resected primary tumors. We demonstrate that this method can readily identify tumors with specific genetic-driven oncometabolite alterations such as IDH mutations with elevation of 2-HG as well as PGD-homozygously deleted tumors with elevation of gluconate. These data support the potential of 1H-13C HSQC as a non-invasive diagnostic tool for metabolic precision oncology.

ABSTRACT With the rising prevalence of multidrug-resistance, there is an urgent need to develop novel antibiotics. Many putative antibiotics demonstrate promising in vitro potency but fail in vivo due to poor drug-like qualities (e.g. serum half-life, oral absorption, solubility, toxicity). These drug-like properties can be modified through the addition of chemical protecting groups, creating “prodrugs” that are activated prior to target inhibition. Lipophilic prodrugging techniques, including the attachment of a pivaloyloxymethyl group, have garnered attention for their ability to increase cellular permeability by masking charged residues and the relative ease of the chemical prodrugging process. Unfortunately, pivaloyloxymethyl prodrugs are rapidly activated by human sera, rendering any membrane permeability qualities absent during clinical treatment. Identification of the bacterial prodrug activation pathway(s) will allow for the development of host-stable and microbe-targeted prodrug therapies. Here, we use two zoonotic staphylococcal species, S. schleiferi and S. pseudintermedius , to establish the mechanism of carboxy ester prodrug activation. Using a forward genetic screen, we identify a conserved locus in both species encoding the enzyme hydroxyacylglutathione hydrolase (GloB), whose loss-of-function confers resistance to carboxy ester prodrugs. We enzymatically characterize GloB and demonstrate that it is a functional glyoxalase II enzyme, which has the capacity to activate carboxy ester prodrugs. As GloB homologs are both widespread and diverse in sequence, our findings suggest that GloB may be a useful mechanism for developing species-or genus-level prodrug targeting strategies.

Tumor angiogenesis is a cancer hallmark, and its therapeutic inhibition has provided meaningful, albeit limited, clinical benefit. While anti-angiogenesis inhibitors deprive the tumor of oxygen and essential nutrients, cancer cells activate metabolic adaptations to diminish therapeutic response. Despite these adaptations, angiogenesis inhibition incurs extensive metabolic stress, prompting us to consider such metabolic stress as an induced vulnerability to therapies targeting cancer metabolism. Metabolomic profiling of angiogenesis-inhibited intracranial xenografts showed universal decrease in tricarboxylic acid cycle intermediates, corroborating a state of anaplerotic nutrient deficit or stress. Accordingly, we show strong synergy between angiogenesis inhibitors (Avastin, Tivozanib) and inhibitors of glycolysis or oxidative phosphorylation through exacerbation of anaplerotic nutrient stress in intracranial orthotopic xenografted gliomas. Our findings were recapitulated in GBM xenografts that do not have genetically predisposed metabolic vulnerabilities at baseline. Thus, our findings cement the central importance of the tricarboxylic acid cycle as the nexus of metabolic vulnerabilities and suggest clinical path hypothesis combining angiogenesis inhibitors with pharmacological cancer interventions targeting tumor metabolism for GBM tumors.

Inhibiting glycolysis remains an aspirational approach for the treatment of cancer. We recently demonstrated that SF2312, a natural product phosphonate antibiotic, is a potent inhibitor of the glycolytic enzyme Enolase with potential utility for the collateral lethality-based treatment of Enolase-deficient glioblastoma (GBM). However, phosphonates are anionic at physiological pH, limiting cell and tissue permeability. Here, we show that addition of pivaloyloxymethyl (POM) groups to SF2312 (POMSF) dramatically increases potency, leading to inhibition of glycolysis and killing of ENO1-deleted glioma cells in the low nM range. But the utility of POMSF in vivo is dose-limited by severe hemolytic anemia. A derivative, POMHEX, shows equipotency to POMSF without inducing hemolytic anemia. POMHEX can eradicate intracranial orthotopic ENO1-deleted tumors, despite sub-optimal pharmacokinetic properties. Taken together, our data provide in vivo proof-of-principal for collateral lethality in precision oncology and showcase POMHEX as a useful molecule for the study of glycolysis in cancer metabolism.

ABSTRACT Glycolysis controls cellular energy, redox balance, and biosynthesis. Antiglycolytic therapies are under investigation for treatment of obesity, cancer, aging, autoimmunity, and microbial diseases. Interrupting glycolysis is highly valued as a therapeutic strategy, because glycolytic disruption is generally tolerated in mammals. Unfortunately, anemia is a known dose-limiting side effect of these inhibitors and presents a major caveat to development of antiglycolytic therapies. We developed specific inhibitors of enolase – a critical enzyme in glycolysis – and validated their metabolic and cellular effects on human erythrocytes. Enolase inhibition increases erythrocyte susceptibility to oxidative damage and induces rapid and premature erythrocyte senescence, rather than direct hemolysis. We apply our model of red cell toxicity to address questions regarding erythrocyte glycolytic disruption in the context of Plasmodium falciparum malaria pathogenesis. Our study provides a framework for understanding red blood cell homeostasis under normal and disease states and clarifies the importance of erythrocyte reductive capacity in malaria parasite growth.