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.

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.

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.

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.