ABSTRACT Murine tuberculosis drug efficacy studies have historically monitored bacterial burden based on colony forming units of M. tuberculosis in lung homogenate. In an alternative approach, a recently described molecular pharmacodynamic marker called the RS ratio quantifies drug effect on a fundamental cellular process: ongoing ribosomal RNA synthesis. Here we evaluated the ability of different pharmacodynamic markers to distinguish between treatments in three BALB/c mouse experiments at two institutions. We confirmed that different pharmacodynamic markers measure distinct biological responses. We found that a combination of pharmacodynamic markers distinguishes between treatments better than any single marker. The combination of the RS ratio with colony forming units showed the greatest ability to recapitulate the rank order of regimen treatment-shortening activity, providing proof of concept that simultaneous assessment of pharmacodynamic markers measuring different properties will enhance insight gained from animal models and accelerate development of new combination regimens. These results suggest potential for a new era in which antimicrobial therapies are evaluated not only on culture-based measures of bacterial burden but also on molecular assays that indicate how drugs impact the physiological state of the pathogen.

Transcriptome evaluation of Mycobacterium tuberculosis in the lungs of laboratory animals during long-term treatment has been limited by extremely low abundance of bacterial mRNA relative to eukaryotic RNA. Here we report a targeted amplification RNA sequencing method called SEARCH-TB. After confirming that SEARCH-TB recapitulates conventional RNA-seq in vitro, we applied SEARCH-TB to Mycobacterium tuberculosis-infected BALB/c mice treated for up to 28 days with the global standard isoniazid, rifampin, pyrazinamide, and ethambutol regimen. We compared results in mice with 8-day exposure to the same regimen in vitro. After treatment of mice for 28 days, SEARCH-TB suggested broad suppression of genes associated with bacterial growth, transcription, translation, synthesis of rRNA proteins and immunogenic secretory peptides. Adaptation of drug-stressed Mycobacterium tuberculosis appeared to include a metabolic transition from ATP-maximizing respiration towards lower-efficiency pathways, modification and recycling of cell wall components, large-scale regulatory reprogramming, and reconfiguration of efflux pumps expression. Despite markedly different expression at pre-treatment baseline, murine and in vitro samples had broadly similar transcriptional change during treatment. The differences observed likely indicate the importance of immunity and pharmacokinetics in the mouse. By elucidating the long-term effect of tuberculosis treatment on bacterial cellular processes in vivo, SEARCH-TB represents a highly granular pharmacodynamic monitoring tool with potential to enhance evaluation of new regimens and thereby accelerate progress towards a new generation of more effective tuberculosis treatment.

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.

A major challenge in tuberculosis (TB) therapeutics is that antibiotic exposure leads to changes in the physiologic state of