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.

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.

ABSTRACT Tuberculosis lung lesions are complex and harbor heterogeneous microenvironments that influence antibiotic effectiveness. Major strides have been made recently in understanding drug pharmacokinetics in pulmonary lesions, but the bacterial phenotypes that arise under these conditions and their contribution to drug tolerance is poorly understood. A pharmacodynamic marker called the RS ratio quantifies ongoing rRNA synthesis based on the abundance of newly-synthesized precursor rRNA relative to mature structural rRNA. Application of the RS ratio in the C3HeB/FeJ mouse model demonstrated that Mycobacterium tuberculosis populations residing in different tissue microenvironments are phenotypically distinct and respond differently to drug treatment with rifampin, isoniazid or bedaquiline. This work provides a foundational basis required to address how anatomic and pathologic microenvironmental niches may contribute to the long treatment duration and drug tolerance during treatment of human tuberculosis.

Invasive fungal infections are associated with high mortality, which is exacerbated by the limited antifungal drug armamentarium and increasing antifungal drug resistance. Echinocandins are a frontline antifungal drug class targeting β-glucan synthase (GS), a fungal cell wall biosynthetic enzyme. Echinocandin resistance is generally low but increasing in species like Candida glabrata , an opportunistic yeast pathogen colonizing human mucosal surfaces. Mutations in GS-encoding genes ( FKS1 and FKS2 in C . glabrata ) are strongly associated with clinical echinocandin failure, but epidemiological studies show that other, as yet unidentified factors also influence echinocandin susceptibility. Furthermore, although the gut is known to be an important reservoir for emergence of drug-resistant strains, the evolution of resistance is not well understood. Here, we studied the evolutionary dynamics of C . glabrata colonizing the gut of immunocompetent mice during treatment with caspofungin, a widely-used echinocandin. Whole genome and amplicon sequencing revealed rapid genetic diversification of this C . glabrata population during treatment and the emergence of both drug target ( FKS2 ) and non-drug target mutations, the latter predominantly in the FEN1 gene encoding a fatty acid elongase functioning in sphingolipid biosynthesis. The fen1 mutants displayed high fitness in the gut specifically during caspofungin treatment and contained high levels of phytosphingosine, whereas genetic depletion of phytosphingosine by deletion of YPC1 gene hypersensitized the wild type strain to caspofungin and was epistatic to fen1Δ . Furthermore, high resolution imaging and mass spectrometry showed that reduced caspofungin susceptibility in fen1Δ cells was associated with reduced caspofungin binding to the plasma membrane. Finally, we identified several different fen1 mutations in clinical C . glabrata isolates, which phenocopied the fen1Δ mutant, causing reduced caspofungin susceptibility. These studies reveal new genetic and molecular determinants of clinical caspofungin susceptibility and illuminate the dynamic evolution of drug target and non-drug target mutations reducing echinocandin efficacy in patients colonized with C . glabrata .

β-Lactams present several desirable pharmacodynamic features leading to the rapid eradication of many bacterial pathogens. Imipenem (IPM) and cefoxitin (FOX) are injectable β-lactams recommended during the intensive treatment phase of pulmonary infections caused by