The factors that govern the development of tuberculosis disease are incompletely understood. We hypothesized that some strains of Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis) are more capable of causing disseminated disease than others and may be associated with polymorphisms in host genes responsible for the innate immune response to infection. We compared the host and bacterial genotype in 187 Vietnamese adults with tuberculous meningitis (TBM) and 237 Vietnamese adults with uncomplicated pulmonary tuberculosis. The host genotype of tuberculosis cases was also compared with the genotype of 392 cord blood controls from the same population. Isolates of M. tuberculosis were genotyped by large sequence polymorphisms. The hosts were defined by polymorphisms in genes encoding Toll-interleukin 1 receptor domain containing adaptor protein (TIRAP) and Toll-like receptor-2 (TLR-2). We found a significant protective association between the Euro-American lineage of M. tuberculosis and pulmonary rather than meningeal tuberculosis (Odds ratio (OR) for causing TBM 0.395, 95% confidence intervals (C.I.) 0.193–0.806, P = 0.009), suggesting these strains are less capable of extra-pulmonary dissemination than others in the study population. We also found that individuals with the C allele of TLR-2 T597C allele were more likely to have tuberculosis caused by the East-Asian/Beijing genotype (OR = 1.57 [95% C.I. 1.15–2.15]) than other individuals. The study provides evidence that M. tuberculosis genotype influences clinical disease phenotype and demonstrates, for the first time, a significant interaction between host and bacterial genotypes and the development of tuberculosis.

To characterize the genetic determinants of resistance to antituberculosis drugs, we performed a genome-wide association study (GWAS) of 6,465 Mycobacterium tuberculosis clinical isolates from more than 30 countries. A GWAS approach within a mixed-regression framework was followed by a phylogenetics-based test for independent mutations. In addition to mutations in established and recently described resistance-associated genes, novel mutations were discovered for resistance to cycloserine, ethionamide and para-aminosalicylic acid. The capacity to detect mutations associated with resistance to ethionamide, pyrazinamide, capreomycin, cycloserine and para-aminosalicylic acid was enhanced by inclusion of insertions and deletions. Odds ratios for mutations within candidate genes were found to reflect levels of resistance. New epistatic relationships between candidate drug-resistance-associated genes were identified. Findings also suggest the involvement of efflux pumps (drrA and Rv2688c) in the emergence of resistance. This study will inform the design of new diagnostic tests and expedite the investigation of resistance and compensatory epistatic mechanisms. A GWAS of multi- and extensively drug-resistant tuberculosis using 6,465 Mycobacterium tuberculosis clinical isolates from more than 30 countries identifies novel mutations associated with resistance. The capacity to detect resistance in particular to ethionamide, pyrazinamide, capreomycin, cycloserine and paraaminosalicylic acid was enhanced by inclusion of insertions and deletions.

Tuberculous meningitis is often lethal. Early antituberculosis treatment and adjunctive treatment with glucocorticoids improve survival, but nearly one third of patients with the condition still die. We hypothesized that intensified antituberculosis treatment would enhance the killing of intracerebral Mycobacterium tuberculosis organisms and decrease the rate of death among patients.We performed a randomized, double-blind, placebo-controlled trial involving human immunodeficiency virus (HIV)-infected adults and HIV-uninfected adults with a clinical diagnosis of tuberculous meningitis who were admitted to one of two Vietnamese hospitals. We compared a standard, 9-month antituberculosis regimen (which included 10 mg of rifampin per kilogram of body weight per day) with an intensified regimen that included higher-dose rifampin (15 mg per kilogram per day) and levofloxacin (20 mg per kilogram per day) for the first 8 weeks of treatment. The primary outcome was death by 9 months after randomization.A total of 817 patients (349 of whom were HIV-infected) were enrolled; 409 were randomly assigned to receive the standard regimen, and 408 were assigned to receive intensified treatment. During the 9 months of follow-up, 113 patients in the intensified-treatment group and 114 patients in the standard-treatment group died (hazard ratio, 0.94; 95% confidence interval, 0.73 to 1.22; P=0.66). There was no evidence of a significant differential effect of intensified treatment in the overall population or in any of the subgroups, with the possible exception of patients infected with isoniazid-resistant M. tuberculosis. There were also no significant differences in secondary outcomes between the treatment groups. The overall number of adverse events leading to treatment interruption did not differ significantly between the treatment groups (64 events in the standard-treatment group and 95 events in the intensified-treatment group, P=0.08).Intensified antituberculosis treatment was not associated with a higher rate of survival among patients with tuberculous meningitis than standard treatment. (Funded by the Wellcome Trust and the Li Ka Shing Foundation; Current Controlled Trials number, ISRCTN61649292.).

ABSTRACT Tuberculous meningitis (TBM) is the most severe form of tuberculosis. Microbiological confirmation is rare, and treatment is often delayed, increasing mortality and morbidity. The GeneXpert MTB/RIF test was evaluated in a large cohort of patients with suspected tuberculous meningitis. Three hundred seventy-nine patients presenting with suspected tuberculous meningitis to the Hospital for Tropical Diseases, Ho Chi Minh City, Vietnam, between 17 April 2011 and 31 December 2012 were included in the study. Cerebrospinal fluid samples were tested by Ziehl-Neelsen smear, mycobacterial growth indicator tube (MGIT) culture, and Xpert MTB/RIF. Rifampin (RIF) resistance results by Xpert were confirmed by an MTBDR-Plus line probe assay and all positive cultures were tested by phenotypic MGIT drug susceptibility testing. Overall, 182/379 included patients (48.0%) were diagnosed with tuberculous meningitis. Sensitivities of Xpert, smear, and MGIT culture among patients diagnosed with TBM were 59.3% (108/182 [95% confidence interval {CI}, 51.8 to 66.5%]), 78.6% (143/182 [95% CI, 71.9 to 84.3%]) and 66.5% (121/182 [95% CI, 59.1 to 73.3%]), respectively. There was one false-positive Xpert MTB/RIF test (99.5% specificity). Four cases of RIF resistance (4/109; 3.7%) were identified by Xpert, of which 3 were confirmed to be multidrug-resistant (MDR) TBM and one was culture negative. Xpert MTB/RIF is a rapid and specific test for the diagnosis of tuberculous meningitis. The addition of a vortexing step to sample processing increased sensitivity for confirmed TBM by 20% ( P = 0.04). Meticulous examination of a smear from a large volume of cerebrospinal fluid (CSF) remains the most sensitive technique but is not practical in most laboratories. The Xpert MTB/RIF represents a significant advance in the early diagnosis of this devastating condition.

Abstract Background Combatting the tuberculosis (TB) epidemic caused by Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) necessitates a better understanding of the factors contributing to patient clinical outcomes and transmission. While host and environmental factors have been evaluated, the impact of Mtb genetic background and phenotypic diversity is underexplored. Previous work has made associations between Mtb genetic lineages and some clinical and epidemiological features, but the bacterial traits underlying these connections are largely unknown. Methods We developed a high-throughput functional genomics platform for defining genotype-phenotype relationships across a panel of Mtb clinical isolates. These phenotypic fitness profiles function as intermediate traits which can be linked to Mtb genetic variants and associated with clinical and epidemiological outcomes. We applied this approach to a collection of 158 Mtb strains from a study of Mtb transmission in Ho Chi Minh City, Vietnam. Mtb strains were genetically tagged in multiplicate, which allowed us to pool the strains and assess in vitro competitive fitness using deep sequencing across a set of 14 host-relevant antibiotic and metabolic conditions. Phylogenetic and monogenic associations with these intermediate traits were identified and then associated with clinical outcomes. Findings Mtb clinical strains have a broad range of growth and drug response dynamics that can be clustered by their phylogenetic relationships. We identified novel monogenic associations with Mtb fitness in various metabolic and antibiotic conditions. Among these, we find that mutations in Rv1339 , a phosphodiesterase, which were identified through their association with slow growth in glycerol, are further associated with treatment failure. We also identify a previously uncharacterized subclade of Lineage 1 strains (L1.1.1.1) that is phenotypically distinguished by slow growth under most antibiotic and metabolic stress conditions in vitro . This clade is associated with cavitary disease, treatment failure, and demonstrates increased transmission potential. Interpretation High-throughput phenogenotyping of Mtb clinical strains enabled bacterial intermediate trait identification that can provide a mechanistic link between Mtb genetic variation and patient clinical outcomes. Mtb strains associated with cavitary disease, treatment failure, and transmission potential display intermediate phenotypes distinguished by slow growth under various antibiotic and metabolic conditions. These data suggest that Mtb growth regulation is an adaptive advantage for host bacterial success in human populations, in at least some circumstances. These data further suggest markers for the underlying bacterial processes that govern these clinical outcomes. Funding National Institutes of Allergy and Infectious Diseases: P01 AI132130 (SS, SMF); P01 AI143575 (XW, SMF); U19 AI142793 (QL, SMF); 5T32AI132120-03 (SS); 5T32AI132120-04 (SS); 5T32AI049928-17 (SS) Wellcome Trust Fellowship in Public Health and Tropical Medicine: 097124/Z/11/Z (NTTT) National Health and Medical Research Council (NHMRC)/A*STAR joint call: APP1056689 (SJD) The funding sources had no involvement in study methodology, data collection, analysis, and interpretation nor in the writing or submission of the manuscript. Research in context Evidence before this study We used different combinations of the words mycobacterium tuberculosis, tuberculosis, clinical strains, intermediate phenotypes, genetic barcoding, phenogenomics, cavitary disease, treatment failure, and transmission to search the PubMed database for all studies published up until January 20 th , 2022. We only considered English language publications, which biases our search. Previous work linking Mtb determinants to clinical or epidemiological data has made associations between bacterial lineage, or less frequently, genetic polymorphisms to in vitro or in vivo models of pathogenesis, transmission, and clinical outcomes such as cavitary disease, treatment failure, delayed culture conversion, and severity. Many of these studies focus on the global pandemic Lineage 2 and Lineage 4 Mtb strains due in part to a deletion in a polyketide synthase implicated in host-pathogen interactions. There are a number of Mtb GWAS studies that have led to novel genetic determinants of in vitro drug resistance and tolerance. Previous Mtb GWAS analyses with clinical outcomes did not experimentally test any predicted phenotypes of the clinical strains. Published laboratory-based studies of Mtb clinical strains involve relatively small numbers of strains, do not identify the genetic basis of relevant phenotypes, or link findings to the corresponding clinical outcomes. There are two recent studies of other pathogens that describe phenogenomic analyses. One study of 331 M. abscessus clinical strains performed one-by-one phenotyping to identify bacterial features associated with clearance of infection and another details a competition experiment utilizing three barcoded Plasmodium falciparum clinical isolates to assay antimalarial fitness and resistance. Added value of this study We developed a functional genomics platform to perform high-throughput phenotyping of Mtb clinical strains. We then used these phenotypes as intermediate traits to identify novel bacterial genetic features associated with clinical outcomes. We leveraged this platform with a sample of 158 Mtb clinical strains from a cross sectional study of Mtb transmission in Ho Chi Minh City, Vietnam. To enable high-throughput phenotyping of large numbers of Mtb clinical isolates, we applied a DNA barcoding approach that has not been previously utilized for the high-throughput analysis of Mtb clinical strains. This approach allowed us to perform pooled competitive fitness assays, tracking strain fitness using deep sequencing. We measured the replicative fitness of the clinical strains in multiplicate under 14 metabolic and antibiotic stress condition. To our knowledge, this is the largest phenotypic screen of Mtb clinical isolates to date. We performed bacterial GWAS to delineate the Mtb genetic variants associated with each fitness phenotype, identifying monogenic associations with several conditions. We then defined Mtb phenotypic and genetic features associated with clinical outcomes. We find that a subclade of Mtb strains, defined by variants largely involved in fatty acid metabolic pathways, share a universal slow growth phenotype that is associated with cavitary disease, treatment failure and increased transmission potential in Vietnam. We also find that mutations in Rv1339 , a poorly characterized phosphodiesterase, also associate with slow growth in vitro and with treatment failure in patients. Implications of all the available evidence Phenogenomic profiling demonstrates that Mtb strains exhibit distinct growth characteristics under metabolic and antibiotic stress conditions. These fitness profiles can serve as intermediate traits for GWAS and association with clinical outcomes. Intermediate phenotyping allows us to examine potential processes by which bacterial strain differences contribute to clinical outcomes. Our study identifies clinical strains with slow growth phenotypes under in vitro models of antibiotic and host-like metabolic conditions that are associated with adverse clinical outcomes. It is possible that the bacterial intermediate phenotypes we identified are directly related to the mechanisms of these outcomes, or they may serve as markers for the causal yet unidentified bacterial determinants. Via the intermediate phenotyping, we also discovered a surprising diversity in Mtb responses to the new anti-mycobacterial drugs that target central metabolic processes, which will be important in considering roll-out of these new agents. Our study and others that have identified Mtb determinants of TB clinical and epidemiological phenotypes should inform efforts to improve diagnostics and drug regimen design.

Abstract Although Mycobacterium tuberculosis (Mtb) strains exhibit genomic homology of >99%, there is considerable variation in the phenotype. The underlying mechanisms of phenotypic heterogeneity in Mtb are not well understood but epigenetic variation is thought to contribute. At present the methylome of Mtb has not been completely characterized. We completed methylomes of 18 Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) clinical isolates from Malawi representing the largest number of Mtb genomes to be completed in a single study using Single Molecule Real Time (SMRT) sequencing to date. We replicate and confirm four methylation disrupting mutations in lineages of Mtb . For the first time we report complete loss of methylation courtesy of C758T (S253L) mutation in the MamB gene of Indo-oceanic lineage of Mtb . We also conducted a genomic and methylome comparison of the Malawian samples against a global sample. We confirm that methylation in Mtb is lineage specific although some unresolved issues still remain.

In rural Nepal, poor road and transport networks and few testing laboratories impede tuberculosis diagnosis. A drone transport system was established to transport sputum samples to laboratories with advanced molecular diagnostic machines – GeneXpert MTB/RIF. This study explored the perceptions of using drones for tuberculosis diagnosis among community stakeholders, female community health volunteers, and healthcare providers from communities with drones implemented and without drone programs. In December 2019, we conducted focus group discussions in two drone-implemented and three without drone programs. We purposively selected 40 participants: Female community health volunteers (n=16), community stakeholders (n=18), and healthcare providers (n=6). Focus group discussions employed semi-structured questions, which were audio-recorded, transcribed, and translated into English. Codebook thematic analysis was performed and charted using three levels of the socioecological model: individual, community, and health system. We identified four themes (i) Trust in drones underpins successful use for tuberculosis diagnosis; (ii) Drone-based sample transport optimised connectivity and accessibility for people with tuberculosis and healthcare providers; (iii) Drones create opportunities to improve community and health system, and (iv) External factors impede the use of drones to facilitate tuberculosis diagnosis. The study reported, at an individual level, people's trust in drones mainly through community-based events. For local healthcare providers, drones reduce transport time, opportunity costs, and immediate cash costs of transport. At the community level, drone use creates opportunities to increase the skills of local people as drone pilots. At the health system level, drone transport increases efficient sputum sample delivery and provides opportunities to transport medicines and other biomedical samples. Perceived challenges of using drones were adverse weather, limitations in skilled human resources, and financial resources to operate drones sustainably. Healthcare providers, female community health volunteers, and community stakeholders reported high levels of trust in drones and perceived their use for tuberculosis diagnosis and care to substantially benefit people with tuberculosis and providers in rural Nepal. There was a high level of demand for application to other healthcare services and wider geographical coverage, demonstrating drones as a potential tool for enhancing access to healthcare in geographically remote communities.

Tuberculosis (TB) is a leading cause of death from infectious disease and the global burden is now higher than at any point in history. Despite coordinated efforts to control TB transmission, the factors contributing to its successful spread remain poorly understood. Vietnam is identified as one of 30 high burden countries for TB and MDR-TB with an incidence of 137 TB cases per 100,000 individuals in 2015. Recent phylogenomic analyses of the causative agent Mycobacterium tuberculosis (Mtb) in other high-prevalence regions have provided insights into the complex processes underlying TB transmission. Here we examine the transmission dynamics of Mtb isolated from TB patients in Ho Chi Minh City (HCMC), Vietnam via whole genome analysis of 1,635 isolates and comparison with 3,085 isolates from other locations. The genomic data reveal an underlying burden of disease caused by endemic Mtb Lineage 1 associated with activation of long-term latent infection, on top of which is overlaid a three-fold higher burden associated with introduction of exotic Lineage 2 and 4 Mtb strains. We identify frequent transfer of Beijing lineage Mtb into the country, which are associated with higher levels of transmission in this host population than endemic Lineage 1 Mtb. We identify a mutation in the secreted protein EsxW in Beijing strains that also appears to be under positive selection in other Mtb lineages, which could potentially contribute to the enhanced transmission of the Beijing lineage in Vietnamese and other host populations.

Antibiotic tolerance in Mycobacterium tuberculosis leads to less effective bacterial killing, poor treatment responses and resistant emergence. There is limited understanding of antibiotic tolerance in clinical isolates of M. tuberculosis. Therefore, we investigated the rifampicin tolerance of M. tuberculosis isolates, with or without pre-existing isoniazid-resistance. In-vitro rifampicin survival fractions determined by minimum duration of killing assay in isoniazid susceptible (n=119) and resistant (n=84) M. tuberculosis isolates. Rifampicin tolerance was correlated with bacterial growth, rifampicin minimum inhibitory concentrations (MICs) and isoniazid-resistant mutations. The longitudinal isoniazid-resistant isolates were analyzed for rifampicin tolerance based on collection time from patients and associated emergence of genetic variants. The median duration of rifampicin exposure reducing the M. tuberculosis surviving fraction by 90% (minimum duration of killing-MDK90) increased from 1.23 (95%CI 1.11; 1.37) and 1.31 (95%CI 1.14; 1.48) to 2.55 (95%CI 2.04; 2.97) and 1.98 (95%CI 1.69; 2.56) days, for IS and IR respectively, during 15 to 60 days of incubation respectively. Increase in MDK90 time indicated the presence of fast and slow growing tolerant sub-populations. A range of 6 log10-fold survival fraction enabled classification of tolerance as low, medium or high and revealed isoniazid-resistance association with increased tolerance with faster growth (OR=2.68 for low vs. medium, OR=4.42 for low vs. high, P-trend=0.0003). The high tolerance in longitudinal isoniazid-resistant isolates was specific to those collected during rifampicin treatment in patients and associated with bacterial genetic microvariants. Our study identifies a range of rifampicin tolerance and reveals that isoniazid resistance is associated with higher tolerance with growth fitness. Furthermore, rifampicin treatment may select isoniazid-resistant isolate microvariants with higher rifampicin tolerance, with survival potential similar to multi-drug resistant isolates. These findings suggest that isoniazid-resistant tuberculosis needs to be evaluated for rifampicin tolerance or needs further improvement in treatment regimen.