Antimalarial Drug Candidate Spiroindolones were discovered as promising antimalarial drug candidates through a high-throughput screening approach that should be applicable to a range of neglected infectious diseases. Rottmann et al. (p. 1175 ; see the Perspective by Wells ) present the preclinical profile for an optimized spiroindolone drug candidate, NITD609. They obtained evidence for a decrease in drug sensitivity in strains of the malaria parasite Plasmodium falciparum bearing amino acid mutations in the P-type ATPase, indicating possible mechanisms of action and/or resistance.

Linezolid has antimycobacterial activity in vitro and is increasingly used for patients with highly drug-resistant tuberculosis.We enrolled 41 patients who had sputum-culture-positive extensively drug-resistant (XDR) tuberculosis and who had not had a response to any available chemotherapeutic option during the previous 6 months. Patients were randomly assigned to linezolid therapy that started immediately or after 2 months, at a dose of 600 mg per day, without a change in their background regimen. The primary end point was the time to sputum-culture conversion on solid medium, with data censored 4 months after study entry. After confirmed sputum-smear conversion or 4 months (whichever came first), patients underwent a second randomization to continued linezolid therapy at a dose of 600 mg per day or 300 mg per day for at least an additional 18 months, with careful toxicity monitoring.By 4 months, 15 of the 19 patients (79%) in the immediate-start group and 7 of the 20 (35%) in the delayed-start group had culture conversion (P=0.001). Most patients (34 of 39 [87%]) had a negative sputum culture within 6 months after linezolid had been added to their drug regimen. Of the 38 patients with exposure to linezolid, 31 (82%) had clinically significant adverse events that were possibly or probably related to linezolid, including 3 patients who discontinued therapy. Patients who received 300 mg per day after the second randomization had fewer adverse events than those who continued taking 600 mg per day. Thirteen patients completed therapy and have not had a relapse. Four cases of acquired resistance to linezolid have been observed.Linezolid is effective at achieving culture conversion among patients with treatment-refractory XDR pulmonary tuberculosis, but patients must be monitored carefully for adverse events. (Funded by the National Institute of Allergy and Infectious Diseases and the Ministry of Health and Welfare, South Korea; ClinicalTrials.gov number, NCT00727844.).

Finding new treatment-shortening antibiotics to improve cure rates and curb the alarming emergence of drug resistance is the major objective of tuberculosis (TB) drug development. Using a matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) mass spectrometry imaging suite in a biosafety containment facility, we show that the key sterilizing drugs rifampicin and pyrazinamide efficiently penetrate the sites of TB infection in lung lesions. Rifampicin even accumulates in necrotic caseum, a critical lesion site where persisting tubercle bacilli reside. In contrast, moxifloxacin, which is active in vitro against a subpopulation of Mycobacterium tuberculosis that persists in specific niches under drug pressure and has achieved treatment shortening in mice, does not diffuse well in caseum, concordant with its failure to shorten therapy in recent clinical trials. We suggest that such differential spatial distribution and kinetics of accumulation in lesions may create temporal and spatial windows of monotherapy in specific niches, allowing the gradual development of multidrug-resistant TB. We propose an alternative working model to prioritize new antibiotic regimens based on quantitative and spatial distribution of TB drugs in the major lesion types found in human lungs. The finding that lesion penetration may contribute to treatment outcome has wide implications for TB.

The antiplasmodial activity of a series of spirotetrahydro β-carbolines is described. Racemic spiroazepineindole (1) was identified from a phenotypic screen on wild type Plasmodium falciparum with an in vitro IC50 of 90 nM. Structure−activity relationships for the optimization of 1 to compound 20a (IC50 = 0.2 nM) including the identification of the active 1R,3S enantiomer and elimination of metabolic liabilities is presented. Improvement of the pharmacokinetic profile of the series translated to exceptional oral efficacy in the P. berghei infected malaria mouse model where full cure was achieved in four of five mice with three daily doses of 30 mg/kg.

ABSTRACT Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection is notoriously difficult to treat. Treatment efficacy is limited by Mtb’s intrinsic drug resistance, as well as its ability to evolve acquired resistance to all antituberculars in clinical use. A deeper understanding of the bacterial pathways that govern drug efficacy could facilitate the development of more effective therapies to overcome resistance, identify new mechanisms of acquired resistance, and reveal overlooked therapeutic opportunities. To define these pathways, we developed a CRISPR interference chemical-genetics platform to titrate the expression of Mtb genes and quantify bacterial fitness in the presence of different drugs. Mining this dataset, we discovered diverse and novel mechanisms of intrinsic drug resistance, unveiling hundreds of potential targets for synergistic drug combinations. Combining chemical-genetics with comparative genomics of Mtb clinical isolates, we further identified numerous new potential mechanisms of acquired drug resistance, one of which is associated with the emergence of a multidrug-resistant tuberculosis (TB) outbreak in South America. Lastly, we make the unexpected discovery of an “acquired drug sensitivity.” We found that the intrinsic resistance factor whiB7 was inactivated in an entire Mtb sublineage endemic to Southeast Asia, presenting an opportunity to potentially repurpose the macrolide antibiotic clarithromycin to treat TB. This chemical-genetic map provides a rich resource to understand drug efficacy in Mtb and guide future TB drug development and treatment.

Abstract In 2017 over 550,000 estimated new cases of multi-drug/rifampicin resistant tuberculosis (MDR/RR-TB) occurred, emphasizing a need for new treatment strategies. Linezolid (LZD) is a potent antibiotic for drug-resistant Gram-positive infections and is an effective treatment for TB. However, extended LZD use can lead to LZD-associated host toxicities, most commonly bone marrow suppression. LZD toxicities may be mediated by IL-1, an inflammatory pathway important for early immunity during M. tuberculosis infection. However, IL-1 can contribute to pathology and disease severity late in TB progression. Since IL-1 may contribute to LZD toxicity and does influence TB pathology, we targeted this pathway with a potential host-directed therapy (HDT). We hypothesized LZD efficacy could be enhanced by modulation of IL-1 pathway to reduce bone marrow toxicity and TB associated-inflammation. We used two animal models of TB to test our hypothesis, a TB-susceptible mouse model and clinically relevant cynomolgus macaques. Antagonizing IL-1 in mice with established infection reduced lung neutrophil numbers and partially restored the erythroid progenitor populations that are depleted by LZD. In macaques, we found no conclusive evidence of bone marrow suppression associated with LZD, indicating our treatment time may have been short enough to avoid the toxicities observed in humans. Though treatment was only 4 weeks (the FDA approved regimen at the time of study), we observed sterilization of the majority of granulomas regardless of co-administration of the FDA-approved IL-1 receptor antagonist (IL-1Rn), also known as Anakinra. However total lung inflammation was significantly reduced in macaques treated with IL-1Rn and LZD compared to LZD alone. Importantly, IL-1Rn administration did not impair the host response against Mtb or LZD efficacy in either animal model. Together, our data support that inhibition of IL-1 in combination with LZD has potential to be an effective HDT for TB and the need for further research in this area.

ABSTRACT The anti-tuberculosis candidate OPC-167832, an inhibitor of DprE1, was active against Mycobacterium abscessus . Resistance mapped to M. abscessus dprE1 , suggesting target retention. OPC-167832 was bactericidal and did not antagonize activity of clinical anti- M. abscessus antibiotics. Due to its moderate potency compared to Mycobacterium tuberculosis , the compound lacked efficacy in a mouse model and is thus not a repurposing candidate. These results identify OPC-167832 – DprE1 as a lead-target couple for a M. abscessus -specific optimization program.

Abstract Current chemotherapy against Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ), an important human pathogen, requires a multidrug regimen lasting several months. While efforts have been made to optimize therapy by exploiting drug-drug synergies, testing new drug combinations in relevant host environments remains arduous. In particular, host environments profoundly affect the bacterial metabolic state and drug efficacy, limiting the accuracy of predictions based on in vitro assays alone. In this study, we utilize conditional Mtb knockdown mutants of essential genes as an experimentally-tractable surrogate for drug treatment, and probe the relationship between Mtb carbon metabolism and chemical-genetic interactions (CGI). We examined the anti-tubercular drugs isoniazid, rifampicin and moxifloxacin, and found that CGI are differentially responsive to the metabolic state, defining both environment-independent and –dependent interactions. Specifically, growth on the in vivo -relevant carbon source, cholesterol, reduced rifampicin efficacy by altering mycobacterial cell surface lipid composition. We report that a variety of perturbations in cell wall synthesis pathways restore rifampicin efficacy during growth on cholesterol, and that both environment-independent and cholesterol-dependent in vitro CGI could be leveraged to enhance bacterial clearance in the mouse infection model. Our findings present an atlas of novel chemical-genetic-environmental interactions that can be used to optimize drug-drug interactions as well as provide a framework for understanding in vitro correlates of in vivo efficacy. Significance Efforts to improve tuberculosis therapy include optimizing multi-drug regimens to take advantage of drug-drug synergies. However, the complex host environment has a profound effect on bacterial metabolic state and drug activity, making predictions of optimal drug combinations difficult. In this study, we leverage a newly developed library of conditional knockdown Mycobacterium tuberculosis mutants in which genetic depletion of essential genes mimics the effect of drug therapy. This tractable system allowed us to assess the effect of growth condition on predicted drug-drug interactions. We found that these interactions can be differentially sensitive to the metabolic state and select in vitro -defined interactions can be leveraged to accelerate bacterial killing during infection. These findings suggest new strategies for optimizing tuberculosis therapy.

Human challenge experiments could greatly accelerate the development of a tuberculosis (TB) vaccine. Human challenge for tuberculosis requires a strain that can both replicate in the host and be reliably cleared. To accomplish this, we designed Mycobacterium tuberculosis (Mtb) strains featuring up to three orthogonal kill switches, tightly regulated by exogenous tetracyclines and trimethoprim. The resultant strains displayed immunogenicity and antibiotic susceptibility similar to wild-type Mtb under permissive conditions. In the absence of supplementary exogenous compounds, the strains were rapidly killed in axenic culture, mice and nonhuman primates. Notably, the strain that contained three kill switches had an escape rate of less than 10 -10 per genome per generation and displayed no relapse in a SCID mouse model. Collectively, these findings suggest that this engineered Mtb strain could be a safe and effective candidate for a human challenge model.

Abstract The spectinamides are novel, narrow-spectrum semisynthetic analogs of spectinomycin, modified to avoid intrinsic efflux by Mycobacterium tuberculosis . Spectinamides, including lead MBX-4888A (Lee-1810), exhibit promising therapeutic profiles in mice, as single drugs and as partner agents with other anti-tuberculosis antibiotics including rifampin and/or pyrazinamide. To demonstrate that this translates to more effective cure, we first confirmed the role of rifampin, with or without pyrazinamide, as essential to achieve effective bactericidal responses and sterilizing cure in the current standard of care regimen in chronically infected C3HeB/FeJ mice compared to BALB/c mice. Thus, demonstrating added value in testing clinically relevant regimens in murine models of increasing pathologic complexity. Next we show that MBX-4888A, given by injection with the front-line standard of care regimen, is treatment shortening in multiple murine tuberculosis infection models. The positive treatment responses to MBX-4888A combination therapy in multiple mouse models including mice exhibiting advanced pulmonary disease can be attributed to favorable distribution in tissues and lesions, retention in caseum, along with favorable effects with rifampin and pyrazinamide under conditions achieved in necrotic lesions. This study also provides an additional data point regarding the safety and tolerability of spectinamide MBX-4888A in long-term murine efficacy studies.