Candida albicans is the most common cause of hematogenously disseminated and oropharyngeal candidiasis. Both of these diseases are characterized by fungal invasion of host cells. Previously, we have found that C. albicans hyphae invade endothelial cells and oral epithelial cells in vitro by inducing their own endocytosis. Therefore, we set out to identify the fungal surface protein and host cell receptors that mediate this process. We found that the C. albicans Als3 is required for the organism to be endocytosed by human umbilical vein endothelial cells and two different human oral epithelial lines. Affinity purification experiments with wild-type and an als3Δ/als3Δ mutant strain of C. albicans demonstrated that Als3 was required for C. albicans to bind to multiple host cell surface proteins, including N-cadherin on endothelial cells and E-cadherin on oral epithelial cells. Furthermore, latex beads coated with the recombinant N-terminal portion of Als3 were endocytosed by Chinese hamster ovary cells expressing human N-cadherin or E-cadherin, whereas control beads coated with bovine serum albumin were not. Molecular modeling of the interactions of the N-terminal region of Als3 with the ectodomains of N-cadherin and E-cadherin indicated that the binding parameters of Als3 to either cadherin are similar to those of cadherin–cadherin binding. Therefore, Als3 is a fungal invasin that mimics host cell cadherins and induces endocytosis by binding to N-cadherin on endothelial cells and E-cadherin on oral epithelial cells. These results uncover the first known fungal invasin and provide evidence that C. albicans Als3 is a molecular mimic of human cadherins.

Background. It has been axiomatic that echinocandins (e.g., caspofungin) are ineffective against mucormycosis. However, on the basis of preclinical data, we recently began treating rhino-orbital-cerebral mucormycosis (ROCM) with combination polyene-caspofungin therapy. Methods. To determine the impact of polyene-caspofungin therapy, ROCM cases identified by an International Classification of Diseases, Ninth Revision search were retrospectively reviewed to gather data on demographic characteristics, clinical history, and outcomes. The predefined primary end point was success (i.e., the patients was alive and not in hospice care) at 30 days after hospital discharge. Results. Forty-one patients with biopsy-proven ROCM were identified over 12 years; 23 (56%) of these patients were Hispanic, and 34 (83%) were diabetic. Patients treated with polyene-caspofungin therapy (6 evaluable patients) had superior success (100% vs. 45%; P=.02) and Kaplan-Meier survival time (P=.02), compared with patients treated with polyene monotherapy. Patients treated with amphotericin B lipid complex had inferior success (37% vs. 72%; P=.03) and a higher clinical failure rate (45% vs. 21%; P=.04), compared with patients who received other polyenes. However, patients treated with amphotericin B lipid complex plus caspofungin had superior success (100% vs. 20%; P=.009) and survival time (P=.01), compared with patients who received amphotericin B lipid complex alone. The benefit of combination therapy, compared with monotherapy, was most pronounced in patients with cerebral involvement (success rate, 100% vs. 25%; P=.01). In multivariate analysis, only receipt of combination therapy was significantly associated with improved outcomes (odds ratio, 10.9; 95% confidence interval, 1.3–∞ P=.02). Conclusions. Combination polyene-caspofungin therapy represents a promising potential alternative to polyene monotherapy for patients with ROCM. Randomized, prospective investigation of these findings is warranted.

We sought to define protective mechanisms of immunity to Staphylococcus aureus and Candida albicans bloodstream infections in mice immunized with the recombinant N-terminus of Als3p (rAls3p-N) vaccine plus aluminum hydroxide (Al(OH3) adjuvant, or adjuvant controls. Deficiency of IFN-γ but not IL-17A enhanced susceptibility of control mice to both infections. However, vaccine-induced protective immunity against both infections required CD4+ T-cell-derived IFN-γ and IL-17A, and functional phagocytic effectors. Vaccination primed Th1, Th17, and Th1/17 lymphocytes, which produced pro-inflammatory cytokines that enhanced phagocytic killing of both organisms. Vaccinated, infected mice had increased IFN-γ, IL-17, and KC, increased neutrophil influx, and decreased organism burden in tissues. In summary, rAls3p-N vaccination induced a Th1/Th17 response, resulting in recruitment and activation of phagocytes at sites of infection, and more effective clearance of S. aureus and C. albicans from tissues. Thus, vaccine-mediated adaptive immunity can protect against both infections by targeting microbes for destruction by innate effectors.

Rhizopus oryzae is the primary cause of mucormycosis, an emerging, life-threatening infection characterized by rapid angioinvasive growth with an overall mortality rate that exceeds 50%. As a representative of the paraphyletic basal group of the fungal kingdom called “zygomycetes,” R. oryzae is also used as a model to study fungal evolution. Here we report the genome sequence of R. oryzae strain 99–880, isolated from a fatal case of mucormycosis. The highly repetitive 45.3 Mb genome assembly contains abundant transposable elements (TEs), comprising approximately 20% of the genome. We predicted 13,895 protein-coding genes not overlapping TEs, many of which are paralogous gene pairs. The order and genomic arrangement of the duplicated gene pairs and their common phylogenetic origin provide evidence for an ancestral whole-genome duplication (WGD) event. The WGD resulted in the duplication of nearly all subunits of the protein complexes associated with respiratory electron transport chains, the V-ATPase, and the ubiquitin–proteasome systems. The WGD, together with recent gene duplications, resulted in the expansion of multiple gene families related to cell growth and signal transduction, as well as secreted aspartic protease and subtilase protein families, which are known fungal virulence factors. The duplication of the ergosterol biosynthetic pathway, especially the major azole target, lanosterol 14α-demethylase (ERG11), could contribute to the variable responses of R. oryzae to different azole drugs, including voriconazole and posaconazole. Expanded families of cell-wall synthesis enzymes, essential for fungal cell integrity but absent in mammalian hosts, reveal potential targets for novel and R. oryzae-specific diagnostic and therapeutic treatments.

Mucormycosis causes mortality in at least 50% of cases despite current first-line therapies. Clinical and animal data indicate that the presence of elevated available serum iron predisposes the host to mucormycosis. Here we demonstrate that deferasirox, an iron chelator recently approved for use in humans by the US FDA, is a highly effective treatment for mucormycosis. Deferasirox effectively chelated iron from Rhizopus oryzae and demonstrated cidal activity in vitro against 28 of 29 clinical isolates of Mucorales at concentrations well below clinically achievable serum levels. When administered to diabetic ketoacidotic or neutropenic mice with mucormycosis, deferasirox significantly improved survival and decreased tissue fungal burden, with an efficacy similar to that of liposomal amphotericin B. Deferasirox treatment also enhanced the host inflammatory response to mucormycosis. Most importantly, deferasirox synergistically improved survival and reduced tissue fungal burden when combined with liposomal amphotericin B. These data support clinical investigation of adjunctive deferasirox therapy to improve the poor outcomes of mucormycosis with current therapy. As iron availability is integral to the pathogenesis of other infections (e.g., tuberculosis, malaria), broader investigation of deferasirox as an antiinfective treatment is warranted.

Mucormycosis is a fungal infection of the sinuses, brain, or lungs that causes a mortality rate of at least 50% despite first-line therapy. Because angioinvasion is a hallmark of mucormycosis infections, we sought to define the endothelial cell receptor(s) for fungi of the order Mucorales (the fungi that cause mucormycosis). Furthermore, since patients with elevated available serum iron, including those with diabetic ketoacidosis (DKA), are uniquely susceptible to mucormycosis, we sought to define the role of iron and glucose in regulating the expression of such a receptor. Here, we have identified glucose-regulated protein 78 (GRP78) as what we believe to be a novel host receptor that mediates invasion and damage of human endothelial cells by Rhizopus oryzae, the most common etiologic species of Mucorales, but not Candida albicans or Aspergillus fumigatus. Elevated concentrations of glucose and iron, consistent with those seen during DKA, enhanced GRP78 expression and the resulting R. oryzae invasion and damage of endothelial cells in a receptor-dependent manner. Mice with DKA, which have enhanced susceptibility to mucormycosis, exhibited increased expression of GRP78 in sinus, lungs, and brain compared with normal mice. Finally, GRP78-specific immune serum protected mice with DKA from mucormycosis. These results suggest a unique susceptibility of patients with DKA to mucormycosis and provide a foundation for the development of new therapeutic interventions for these deadly infections.

Host iron availability is fundamental to mucormycosis pathogenesis. The combination of liposomal amphotericin B (LAmB) and deferasirox iron chelation therapy synergistically improved survival in diabetic mice with mucormycosis. To determine the safety of combination deferasirox plus LAmB therapy for mucormycosis, a multicentred, placebo-controlled, double-blinded clinical trial was conducted. Twenty patients with proven or probable mucormycosis were randomized to receive treatment with LAmB plus deferasirox (20 mg/kg/day for 14 days) or LAmB plus placebo (NCT00419770, clinicaltrials.gov). The primary analyses were for safety and exploratory efficacy. Patients in the deferasirox arm (n = 11) were more likely than those in the placebo arm (n = 9) to have active malignancy, neutropenia and corticosteroid therapy, and were less likely to receive concurrent non-study antifungal therapy. Reported adverse events and serious adverse events were similar between the groups. However, death was more frequent in the deferasirox than in the placebo arm at 30 days (45% versus 11%, P = 0.1) and 90 days (82% versus 22%, P = 0.01). Global success (alive, clinically stable, radiographically improved) for the deferasirox arm versus the placebo arm at 30 and 90 days, respectively, was 18% (2/11) versus 67% (6/9) (P = 0.06) and 18% (2/11) versus 56% (5/9) (P = 0.2). Patients with mucormycosis treated with deferasirox had a higher mortality rate at 90 days. Population imbalances in this small Phase II study make generalizable conclusions difficult. Nevertheless, these data do not support a role for initial, adjunctive deferasirox therapy for mucormycosis.

Angioinvasion is a hallmark of mucormycosis. Previously, we identified endothelial cell glucose-regulated protein 78 (GRP78) as a receptor for Mucorales that mediates host cell invasion. Here we determined that spore coat protein homologs (CotH) of Mucorales act as fungal ligands for GRP78. CotH proteins were widely present in Mucorales and absent from noninvasive pathogens. Heterologous expression of CotH3 and CotH2 in Saccharomyces cerevisiae conferred the ability to invade host cells via binding to GRP78. Homology modeling and computational docking studies indicated structurally compatible interactions between GRP78 and both CotH3 and CotH2. A mutant of Rhizopus oryzae, the most common cause of mucormycosis, with reduced CotH expression was impaired for invading and damaging endothelial cells and CHO cells overexpressing GRP78. This strain also exhibited reduced virulence in a diabetic ketoacidotic (DKA) mouse model of mucormycosis. Treatment with anti-CotH Abs abolished the ability of R. oryzae to invade host cells and protected DKA mice from mucormycosis. The presence of CotH in Mucorales explained the specific susceptibility of DKA patients, who have increased GRP78 levels, to mucormycosis. Together, these data indicate that CotH3 and CotH2 function as invasins that interact with host cell GRP78 to mediate pathogenic host-cell interactions and identify CotH as a promising therapeutic target for mucormycosis.

Abstract Mucormycosis, caused by Rhizopus species, is a life-threatening fungal infection that occurs in patients immunocompromised by diabetic ketoacidosis (DKA), cytotoxic chemotherapy, immunosuppressive therapy, hematologic malignancies or severe trauma. Inhaled Rhizopus spores cause pulmonary infections in patients with hematologic malignancies, while patients with DKA are much more prone to rhinoorbital/cerebral mucormycosis. Here we show that R. delemar interacts with glucose-regulated protein 78 (GRP78) on nasal epithelial cells via its spore coat protein CotH3 to invade and damage the nasal epithelial cell. Expression of the two proteins is significantly enhanced by high glucose, iron and ketone body levels (hallmark features of DKA), potentially leading to frequently lethal rhinoorbital/cerebral mucormycosis. In contrast, R. delemar CotH7 recognizes integrin β1 as a receptor on alveolar epithelial cells causing the activation of epidermal growth factor receptor (EGFR) leading to host cell invasion. Anti-integrin β1 antibodies inhibit R. delemar invasion of alveolar epithelial cells and protect mice from pulmonary mucormycosis. Our results show that R. delemar interacts with different mammalian receptors depending on the host cell type. Susceptibility of patients with DKA primarily to rhinoorbital/cerebral disease can be explained by host factors typically present in DKA and known to upregulate CotH3 and nasal GRP78 thereby trapping the fungal cells within the rhino-orbital milieu, leading to subsequent invasion and damage. Our studies highlight that mucormycosis pathogenesis can potentially be overcome by the development of novel customized therapies targeting niche-specific host receptors or their respective fungal ligands. Importance Mucormycosis caused by Rhizopus species is a fungal infection with often fatal prognosis. Inhalation of spores is the major route of entry, with nasal and alveolar epithelial cells among the first cells that encounter the fungi. In patients with hematologic malignancies or those undergoing cytotoxic chemotherapy, Rhizopus causes pulmonary infections. On the other hand, DKA patients predominantly suffer from rhinoorbital/cerebral mucormycosis. The reason for such disparity in disease types by the same fungus is not known. Here we show that, the unique susceptibility of DKA subjects to rhinoorbital/cerebral mucormycosis is likely due to specific interaction between nasal epithelial cell GRP78 and fungal CotH3, the expression of which increase in the presence of host factors present in DKA. In contrast, pulmonary mucormycosis is initiated via interaction of inhaled spores expressing CotH7 with integrin β1 receptor which activates EGFR to induce fungal invasion of host cells. These results introduce plausible explanation to disparate disease manifestations in DKA versus hematologic malignancy patients and provide a foundation for development of therapeutic interventions against these lethal forms of mucormycosis.

Abstract A. fumigatus is the main etiological agent of a group of heterogeneous diseases called aspergillosis of which the most lethal form is the invasive pulmonary aspergillosis (IPA). Fungicidal azoles and amphotericin B are the first line defense against A. fumigatus , but fungistatic echinocandins, such as caspofungin (CAS), can be used as salvage therapy for IPA. Here, we screened repurposing libraries and identified several compounds that potentiate CAS activity against A. fumigatus , including the host defense peptide mimetic, brilacidin (BRI). BRI converts CAS into a fungicidal drug and potentiates voriconazole (VOR) against A. fumigatus. BRI increases the ability of both CAS and VOR to control A. fumigatus biofilm growth. BRI depolarizes the A. fumigatus cell membrane leading to disruption of membrane potential. By using a combination of protein kinase inhibitors and screening of a catalytic subunit null mutant library, we identified the mitogen activated protein kinase (MAPK) MpkA and the phosphatase calcineurin as mediators of the synergistic action of BRI. These results suggest the most likely BRI mechanism of action for CAS potentiation is the inhibition of A. fumigatus cell wall integrity (CWI) pathway. BRI potentiates CAS activity against C. albicans , C. auris , and C. neoformans . Interestingly, BRI overcomes the CAS-acquired resistance in both A. fumigatus and C. albicans and the CAS-intrinsic resistance in C. neoformans . BRI also has an additive effect on the activity of posaconazole (POSA) against several Mucorales fungi. Cell toxicity assays and fungal burden studies in an immunosuppressed murine model of IPA showed that BRI combined with CAS is not toxic to the cells and significantly clears A. fumigatus lung infection, respectively. Our results indicate that combinations of BRI and antifungal drugs in clinical use are likely to improve the treatment outcome of IPA and other fungal infections.