Tuberculosis (TB), the disease caused by Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ), remains a leading infectious disease-related cause of death worldwide, necessitating the development of new and improved treatment regimens. Non-clinical evaluation of candidate drug combinations via the relapsing mouse model (RMM) is an important step in regimen development, through which candidate regimens that provide the greatest decrease in probability of relapse following treatment in mice may be identified for further development. Although RMM studies are a critical tool to evaluate regimen efficacy, making comprehensive "apples to apples" comparisons of regimen performance in the RMM has been a challenge, in large part due to the need to evaluate and adjust for variability across studies arising from differences in design and execution. To address this knowledge gap, we performed a model-based meta-analysis on data for 17 unique regimens obtained from a total of 1592 mice across 28 RMM studies. Specifically, a mixed-effects logistic regression model was developed that described the treatment duration-dependent probability of relapse for each regimen and identified relevant covariates contributing to inter-study variability. Using the model, covariate-normalized metrics of interest, namely treatment duration required to reach 50% and 10% relapse probability, were derived and used to compare relative regimen performance. Overall, the model-based meta-analysis approach presented herein enables cross-study comparison of efficacy in the RMM, and provides a framework whereby data from emerging studies may be analyzed in the context of historical data to aid in selecting candidate drug combinations for clinical evaluation as TB drug regimens.

The new diazabicyclooctane-based β-lactamase inhibitors avibactam and relebactam improve the in vitro activity of β-lactam antibiotics against Mycobacterium abscessus complex (MABC). Here, we evaluated the in vitro activity of two newer diazabicyclooctane-based β-lactamase inhibitors in clinical development, nacubactam and zidebactam, with β-lactams against clinical isolates of MABC. Both inhibitors lowered the MICs of their partner β-lactams, meropenem (eight-fold) and cefepime (two-fold), and those of other β-lactams, similar to prior results with avibactam and relebactam.

Pulmonary disease due to infection with Mycobacterium abscessus complex (MABC) is notoriously difficult to treat, in large part due to MABC’s intrinsic resistance to most antibiotics, including β-lactams. MABC organisms express a broad-spectrum β-lactamase that is resistant to traditional β-lactam-based β-lactamase inhibitors but inhibited by a newer non-β-lactam-based β-lactamase inhibitor, avibactam. Consequently, the susceptibility of MABC to some β-lactams is increased in the presence of avibactam. Therefore, we hypothesized that two new non-β-lactam-based β-lactamase inhibitors, relebactam and vaborbactam, would also increase susceptibility of MABC to β-lactams. The objective of the present study was to evaluate the in vitro activity of various marketed β-lactams alone and in combination with either relebactam or vaborbactam against multidrug-resistant MABC clinical isolates. Our data demonstrate that both β-lactamase inhibitors significantly improved the anti-MABC activity of many carbapenems (including imipenem and meropenem) and cephalosporins (including cefepime, ceftaroline, and cefuroxime). As a meropenem/vaborbactam combination is now marketed and an imipenem/relebactam combination is currently in phase III trials, these fixed combinations may become the β-lactams of choice for the treatment of MABC infections. Furthermore, given the evolving interest in dual β-lactam regimens, our results identify select cephalosporins, such as cefuroxime, with superior activity in the presence of a β-lactamase inhibitor, deserving of further evaluation in combination with these carbapenem/β-lactamase inhibitor products.

The potent anti-tuberculosis activity and long half-life of bedaquiline make it an attractive candidate for long-acting/extended release formulations for treatment of latent tuberculosis infection (LTBI). Our objective was to evaluate a long-acting injectable (LAI) bedaquiline formulation in a validated paucibacillary mouse model of LTBI. Following immunization with Mycobacterium bovis rBCG30, BALB/c mice were challenged by aerosol infection with M. tuberculosis H37Rv. Treatment began 13 weeks after challenge infection with one of the following regimens: untreated negative control; positive controls of daily rifampin (10 mg/kg), once-weekly rifapentine (15 mg/kg) and isoniazid (50 mg/kg), or daily bedaquiline (25 mg/kg); test regimens of one, two, or three monthly doses of LAI bedaquiline at 160 mg/dose (BLAI-160); and test regimens of daily bedaquiline at 2.67 (B2.67), 5.33 (B5.33), or 8 (B8) mg/kg to deliver the same total bedaquiline as one, two, or three doses of BLAI-160, respectively. All drugs were administered orally, except for BLAI-160 (intramuscular injection). The primary outcome was the decline in M. tuberculosis lung CFU counts during 12 weeks of treatment. The negative and positive control regimens performed as expected. One, two, and three doses of BLA-160 resulted in decreases of 2.9, 3.2, and 3.5 log10 CFU/lung, respectively by week 12. Daily oral dosing with B2.67, B5.33, and B8 decreased lung CFU counts by 1.6, 2.8, and 4.1 log10, respectively. One dose of BLAI-160 exhibited activity for at least 12 weeks. The sustained activity of BLAI-160 indicates promise as a short-course LTBI treatment requiring few patient encounters to ensure treatment completion.

High-dose rifapentine and clofazimine have each separately been associated with treatment-shortening activity when incorporated into tuberculosis (TB) treatment regimens. We hypothesized that both modifications, i.e., the addition of clofazimine and the replacement of rifampin with high-dose rifapentine, in the first-line regimen for drug-susceptible TB would significantly shorten the duration of treatment necessary for cure. We tested this hypothesis in a well-established BALB/c mouse model of TB chemotherapy and also in a C3HeB/FeJ mouse model in which mice can develop caseous necrotic lesions, an environment where rifapentine and clofazimine may individually be less effective. In both mouse models, replacing rifampin with high-dose rifapentine and adding clofazimine in the first-line regimen resulted in greater bactericidal and sterilizing activity than either modification alone, suggesting that a rifapentine- and clofazimine-containing regimen may have the potential to significantly shorten the treatment duration for drug-susceptible TB. These data provide preclinical evidence supporting the evaluation of regimens combining high-dose rifapentine and clofazimine in clinical trials.

A significant challenge in the development of long-acting injectable drug formulations, especially for anti-infective agents, is delivering an efficacious dose within a tolerable injection volume. Co-administration of the extracellular matrix-degrading enzyme hyaluronidase can increase maximum tolerable injection volumes but is untested for this benefit with long-acting injectable formulations. One concern is that hyaluronidase could potentially alter the tissue response surrounding an injection depot, a response known to be important for drug release kinetics of long-acting injectable formulations. The objective of this pilot study was to evaluate the impact of co-administration of hyaluronidase on the drug release kinetics, pharmacokinetic profiles, and injection site histopathology of the long-acting injectable paliperidone palmitate for up to four weeks following intramuscular injection in mouse and rat models. In both species, co-administration of hyaluronidase increased paliperidone plasma exposures the first week after injection but did not negate the overall long-acting release nature of the formulation. Hyaluronidase-associated modification of the injection site depot was observed in mice but not in rats. These findings suggest that further investigation of hyaluronidase with long-acting injectable agents is warranted.

Abstract Current treatment options for lung disease caused by Mycobacterium abscessus complex infections have limited effectiveness. To maximize the use of existing antibacterials and to help inform regimen design for treatment, we assessed the in vitro bactericidal activity of single drugs against actively multiplying and net non-replicating M. abscessus populations in nutrient-rich and nutrient starvation conditions, respectively. As single drugs, bedaquiline and rifabutin exerted bactericidal activity only against nutrient-starved and actively growing M. abscessus , respectively. However, when combined, both bedaquiline and rifabutin were able to specifically contribute bactericidal activity at relatively low, clinically relevant concentrations against both replicating and non-replicating bacterial populations. The addition of a third drug, amikacin, further enhanced the bactericidal activity of the bedaquiline-rifabutin combination against nutrient-starved M. abscessus . Overall, these in vitro data suggest that bedaquiline-rifabutin may be a potent backbone combination to support novel treatment regimens for M. abscessus infections. This rich dataset of differential time-and concentration-dependent activity of drugs, alone and together, against M. abscessus also highlights several issues affecting interpretation and translation of in vitro findings.

Administration of tuberculosis preventive therapy (TPT) to individuals with latent tuberculosis infection is an important facet of global tuberculosis control. The use of long-acting injectable (LAI) drug formulations may simplify and shorten regimens for this indication. Rifapentine and rifabutin have anti-tuberculosis activity and physiochemical properties suitable for LAI formulation, but there are limited data available for determining the target exposure profiles required for efficacy in TPT regimens. The objective of this study was to determine exposure-activity profiles of rifapentine and rifabutin to inform development of LAI formulations for TPT. We utilized a validated paucibacillary mouse model of TPT in combination with dynamic oral dosing of both drugs to simulate and understand exposure-activity relationships to inform posology for future LAI formulations. This work identified several LAI-like exposure profiles of rifapentine and rifabutin that, if achieved by LAI formulations, could be efficacious as TPT regimens and thus can serve as experimentally-determined targets for novel LAI formulations of these drugs. We present novel methodology to understand the exposure-response relationship and inform the value proposition for investment in development of LAI formulations that has utility beyond latent tuberculosis infection.

Abstract Mycobacterium abscessus lung disease is difficult to treat due to intrinsic drug resistance and the persistence of drug-tolerant bacteria. Currently, the standard of care is a multi-drug regimen with at least 3 active drugs, preferably including a β-lactam (imipenem or cefoxitin). These regimens are lengthy, toxic, and have limited efficacy. The search for more efficacious regimens led us to evaluate bedaquiline, a diarylquinoline licensed for treatment of multidrug-resistant tuberculosis. We performed in vitro time-kill experiments to evaluate the activity of bedaquiline alone and in combination with the first-line drug imipenem against M. abscessus under various conditions. Against actively growing bacteria, bedaquiline was largely bacteriostatic and antagonized the bactericidal activity of imipenem. Contrarily, against nutrient-starved persisters, bedaquiline was bactericidal, while imipenem was not, and bedaquiline drove the activity of the combination. In an intracellular infection model, bedaquiline and imipenem had additive bactericidal effects. Correlations between ATP levels and the bactericidal activity of imipenem and its antagonism by bedaquiline were observed. Interestingly, the presence of Tween 80 in the media affected the activity of both drugs, enhancing the activity of imipenem and reducing that of bedaquiline. Overall, these results show that bedaquiline and imipenem interact differently depending on culture conditions. Previously reported antagonistic effects of bedaquiline on imipenem were limited to conditions with actively multiplying bacteria and/or the presence of Tween 80, whereas the combination was additive or indifferent against nutrient-starved and intracellular M. abscessus , where promising bactericidal activity of the combination suggests it may have a role in future treatment regimens.

Mycobacterium abscessus (Mab) is a rapidly-growing nontuberculous mycobacterium that is a growing health concern among both immunocompetent and immunocompromised patient populations. It most commonly causes skin and soft tissue or pulmonary infection. As an emerging health issue there is much that still needs to be understood about the infection and its progression to disease. In the context of pulmonary infection, an in vivo system of Mab infection that permits investigation of host-microbe interactions that result in Mab infection and the transition to pathogenesis, and also the evaluation of treatments, is an essential tool that is currently lacking. Here, we describe a system of pulmonary Mab infection in the C3HeB/FeJ mouse strain under corticosteroid immunosuppressive therapy that progresses to pathology.