There is an urgent need for new drugs to treat malaria, with broad therapeutic potential and novel modes of action, to widen the scope of treatment and to overcome emerging drug resistance. Here we describe the discovery of DDD107498, a compound with a potent and novel spectrum of antimalarial activity against multiple life-cycle stages of the Plasmodium parasite, with good pharmacokinetic properties and an acceptable safety profile. DDD107498 demonstrates potential to address a variety of clinical needs, including single-dose treatment, transmission blocking and chemoprotection. DDD107498 was developed from a screening programme against blood-stage malaria parasites; its molecular target has been identified as translation elongation factor 2 (eEF2), which is responsible for the GTP-dependent translocation of the ribosome along messenger RNA, and is essential for protein synthesis. This discovery of eEF2 as a viable antimalarial drug target opens up new possibilities for drug discovery.

Achieving the goal of malaria elimination will depend on targeting Plasmodium pathways essential across all life stages. Here we identify a lipid kinase, phosphatidylinositol-4-OH kinase (PI(4)K), as the target of imidazopyrazines, a new antimalarial compound class that inhibits the intracellular development of multiple Plasmodium species at each stage of infection in the vertebrate host. Imidazopyrazines demonstrate potent preventive, therapeutic, and transmission-blocking activity in rodent malaria models, are active against blood-stage field isolates of the major human pathogens P. falciparum and P. vivax, and inhibit liver-stage hypnozoites in the simian parasite P. cynomolgi. We show that imidazopyrazines exert their effect through inhibitory interaction with the ATP-binding pocket of PI(4)K, altering the intracellular distribution of phosphatidylinositol-4-phosphate. Collectively, our data define PI(4)K as a key Plasmodium vulnerability, opening up new avenues of target-based discovery to identify drugs with an ideal activity profile for the prevention, treatment and elimination of malaria. The lipid kinase phosphatidylinositol-4-OH kinase (PI(4)K) is identified as a target of the imidazopyrazines, a new antimalarial compound class that can inhibit several Plasmodium species at each stage of the parasite life cycle; the imidazopyrazines exert their inhibitory action by interacting with the ATP-binding pocket of PI(4)K. To eliminate malaria completely it is necessary to cure an individual of all stages in the malaria parasite's life cycle including the symptomatic blood-stage infection and the preceding liver-stage infection (to prevent relapse) and also to block transmission to mosquitoes. Here Elizabeth Winzeler and colleagues identify phosphatidylinositol-4-OH kinase (PI(4)K) as a potential drug target that is essential to fatty acid metabolism in all stages of the Plasmodium parasite. The authors show that a family of compounds with an imidazopyrazine core, distinct from known antimalarials, inhibits PI(4)K and also inhibits the development of multiple Plasmodium species at each stage of the life cycle. Their analyses reveal that the imidazopyrazines interact with the ATP-binding pocket of PI(4)K, altering the intracellular distribution of phosphatidylinositol-4 phosphate and interfering with cell division.

The antimalarial drug DSM265 displays activity against blood and liver stages of Plasmodium falciparum and has a long predicted half-life in humans.

MMV390048, a member of a new class of inhibitors of the Plasmodium phosphatidylinositol 4-kinase, shows potential for both treatment and prophylaxis.

Abstract Malaria is a devastating disease that resulted in an estimated 627,000 deaths in 2020. About 80% of those deaths were among children under the age of five. Our approach is to develop small molecule inhibitors against cytoskeletal targets that are vital components of parasite function, essential at multiple stages of parasite infection, can be targeted with high specificity, and are highly druggable. Here we describe KNX-115, which inhibits purified Plasmodium falciparum myosin A (PfMyoA) actin-activated ATPase with a potency in the 10s of nanomolar range and >50-fold selectivity against cardiac, skeletal, and smooth muscle myosins. KNX-115 inhibits the blood and liver stages of Plasmodium with an EC 50 of about 100 nanomolar, with negligible liver cell toxicity. In addition, KNX-115 inhibits sporozoite cell traversal and blocks the gametocyte to oocyst conversion in the mosquito. KNX-115 displays a similar killing profile to pyrimethamine and parasites are totally killed after 96 hours of treatment. In line with its novel mechanism of action, KNX-115 is equally effective at inhibiting a panel of Plasmodium strains resistant to experimental and marketed antimalarials. In vitro evolution data likely suggests a refractory potential of KNX-115 in developing parasite resistance.

Abstract Insect-borne diseases kill >0.5 million people annually. Currently available repellents for personal or household protection are limited in their efficacy, applicability, and safety profile. Here, we describe a machine-learning-driven high-throughput method for the discovery of novel repellent molecules. To achieve this, we digitized a large, historic dataset containing ∼19,000 mosquito repellency measurements. We then trained a graph neural network (GNN) to map molecular structure and repellency. We applied this model to select 317 candidate molecules to test in parallelizable behavioral assays, quantifying repellency in multiple pest species and in follow-up trials with human volunteers. The GNN approach outperformed a chemoinformatic model and produced a hit rate that increased with training data size, suggesting that both model innovation and novel data collection were integral to predictive accuracy. We identified >10 molecules with repellency similar to or greater than the most widely used repellents. We analyzed the neural responses from the mosquito antennal (olfactory) lobe to selected repellents and found a limited correlation between these responses and our GNN representation. This approach enables computational screening of billions of possible molecules to identify empirically tractable numbers of candidate repellents, leading to accelerated progress towards solving a global health challenge.

Abstract Hearing and vision sensory systems are tuned to the natural statistics of acoustic and electromagnetic energy on earth, and are evolved to be sensitive in ethologically relevant ranges. But what are the natural statistics of odors , and how do olfactory systems exploit them? Dissecting an accurate machine learning model 1 for human odor perception, we find a computable representation for odor at the molecular level that can predict the odor-evoked receptor, neural, and behavioral responses of nearly all terrestrial organisms studied in olfactory neuroscience. Using this olfactory representation ( P rincipal O dor M ap, POM), we find that odorous compounds with similar POM representations are more likely to co-occur within a substance and be metabolically closely related; metabolic reaction sequences 2 also follow smooth paths in POM despite large jumps in molecular structure. Just as the brain’s visual representations have evolved around the natural statistics of light and shapes, the natural statistics of metabolism appear to shape the brain’s representation of the olfactory world.

Abstract Drug resistance and a dire lack of transmission-blocking antimalarials hamper malaria elimination. Here, we present the pantothenamide MMV693183 as a first-in-class acetyl-CoA synthetase (ACS) inhibitor to enter preclinical development. Our studies demonstrated attractive drug-like properties and in vivo efficacy in a humanized mouse model of Plasmodium falciparum infection. The compound showed exceptional in vitro activity against P. falciparum and P. vivax clinical isolates, and potently blocked P. falciparum transmission to Anopheles mosquitoes. Genetic and biochemical studies identified ACS as the target of the MMV693183-derived antimetabolite, CoA-MMV693183. MMV693183 was well adsorbed after oral administration in mice, rats and dogs. Pharmacokinetic – pharmacodynamic modelling predicted that a single 30 mg oral dose is sufficient to cure a malaria infection in humans. In conclusion, the ACS-targeting compound MMV693183 represents a promising addition to the portfolio of antimalarials in (pre)clinical development with a novel mode of action for the treatment of malaria and blocking transmission.

Abstract A central challenge of antimalarial therapy is the emergence of resistance to the components of artemisinin-based combination therapies (ACTs) and the urgent need for new drugs acting through novel mechanism of action. Over the last decade, compounds identified in phenotypic high throughput screens (HTS) have provided the starting point for six candidate drugs currently in the Medicines for Malaria Venture (MMV) clinical development portfolio. However, the published screening data which provided much of the new chemical matter for malaria drug discovery projects have been extensively mined. Here we present a new screening and selection cascade for generation of hit compounds active against the blood stage of Plasmodium falciparum . In addition, we validate our approach by testing a library of 141,786 compounds not reported earlier as being tested against malaria. The Hit Generation Library 1 (HGL1) was designed to maximise the chemical diversity and novelty of compounds with physicochemical properties associated with potential for further development. A robust HTS cascade containing orthogonal efficacy and cytotoxicity assays, including a newly developed and validated nanoluciferase-based assay was used to profile the compounds. 75 compounds (Screening Active hit rate of 0.05%) were identified meeting our stringent selection criteria of potency in drug sensitive (NF54) and drug resistant (Dd2) parasite strains (IC 50 ≤ 2 µM), rapid speed of action and cell viability in HepG2 cells (IC 50 ≥ 10 µM). Following further profiling, 33 compounds were identified that meet the MMV Confirmed Active profile and are high quality starting points for new antimalarial drug discovery projects.