A major cause of the paucity of new starting points for drug discovery is the lack of interaction between academia and industry. Much of the global resource in biology is present in universities, whereas the focus of medicinal chemistry is still largely within industry. Open source drug discovery, with sharing of information, is clearly a first step towards overcoming this gap. But the interface could especially be bridged through a scale-up of open sharing of physical compounds, which would accelerate the finding of new starting points for drug discovery. The Medicines for Malaria Venture Malaria Box is a collection of over 400 compounds representing families of structures identified in phenotypic screens of pharmaceutical and academic libraries against the Plasmodium falciparum malaria parasite. The set has now been distributed to almost 200 research groups globally in the last two years, with the only stipulation that information from the screens is deposited in the public domain. This paper reports for the first time on 236 screens that have been carried out against the Malaria Box and compares these results with 55 assays that were previously published, in a format that allows a meta-analysis of the combined dataset. The combined biochemical and cellular assays presented here suggest mechanisms of action for 135 (34%) of the compounds active in killing multiple life-cycle stages of the malaria parasite, including asexual blood, liver, gametocyte, gametes and insect ookinete stages. In addition, many compounds demonstrated activity against other pathogens, showing hits in assays with 16 protozoa, 7 helminths, 9 bacterial and mycobacterial species, the dengue fever mosquito vector, and the NCI60 human cancer cell line panel of 60 human tumor cell lines. Toxicological, pharmacokinetic and metabolic properties were collected on all the compounds, assisting in the selection of the most promising candidates for murine proof-of-concept experiments and medicinal chemistry programs. The data for all of these assays are presented and analyzed to show how outstanding leads for many indications can be selected. These results reveal the immense potential for translating the dispersed expertise in biological assays involving human pathogens into drug discovery starting points, by providing open access to new families of molecules, and emphasize how a small additional investment made to help acquire and distribute compounds, and sharing the data, can catalyze drug discovery for dozens of different indications. Another lesson is that when multiple screens from different groups are run on the same library, results can be integrated quickly to select the most valuable starting points for subsequent medicinal chemistry efforts.

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.

ELQ-300, an investigational drug for treating and preventing malaria, shows potent transmission-blocking activity in rodent models of malaria.

Drug therapy is the mainstay of antimalarial therapy, yet current drugs are threatened by the development of resistance. In an effort to identify new potential antimalarials, we have undertaken a lead optimization program around our previously identified triazolopyrimidine-based series of Plasmodium falciparum dihydroorotate dehydrogenase (PfDHODH) inhibitors. The X-ray structure of PfDHODH was used to inform the medicinal chemistry program allowing the identification of a potent and selective inhibitor (DSM265) that acts through DHODH inhibition to kill both sensitive and drug resistant strains of the parasite. This compound has similar potency to chloroquine in the humanized SCID mouse P. falciparum model, can be synthesized by a simple route, and rodent pharmacokinetic studies demonstrated it has excellent oral bioavailability, a long half-life and low clearance. These studies have identified the first candidate in the triazolopyrimidine series to meet previously established progression criteria for efficacy and ADME properties, justifying further development of this compound toward clinical candidate status.

Dissecting Plasmodium drug resistance Malaria is a deadly disease with no effective vaccine. Physicians thus depend on antimalarial drugs to save lives, but such compounds are often rendered ineffective when parasites evolve resistance. Cowell et al. systematically studied patterns of Plasmodium falciparum genome evolution by analyzing the sequences of clones that were resistant to diverse antimalarial compounds across the P. falciparum life cycle (see the Perspective by Carlton). The findings identify hitherto unrecognized drug targets and drug-resistance genes, as well as additional alleles in known drug-resistance genes. Science , this issue p. 191 ; see also p. 159

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

Drug discovery for malaria has been transformed in the last 5 years by the discovery of many new lead compounds identified by phenotypic screening. The process of developing these compounds as drug leads and studying the cellular responses they induce is revealing new targets that regulate key processes in the Plasmodium parasites that cause malaria. We disclose herein that the clinical candidate (+)-SJ733 acts upon one of these targets, ATP4. ATP4 is thought to be a cation-transporting ATPase responsible for maintaining low intracellular Na(+) levels in the parasite. Treatment of parasitized erythrocytes with (+)-SJ733 in vitro caused a rapid perturbation of Na(+) homeostasis in the parasite. This perturbation was followed by profound physical changes in the infected cells, including increased membrane rigidity and externalization of phosphatidylserine, consistent with eryptosis (erythrocyte suicide) or senescence. These changes are proposed to underpin the rapid (+)-SJ733-induced clearance of parasites seen in vivo. Plasmodium falciparum ATPase 4 (pfatp4) mutations that confer resistance to (+)-SJ733 carry a high fitness cost. The speed with which (+)-SJ733 kills parasites and the high fitness cost associated with resistance-conferring mutations appear to slow and suppress the selection of highly drug-resistant mutants in vivo. Together, our data suggest that inhibitors of PfATP4 have highly attractive features for fast-acting antimalarials to be used in the global eradication campaign.

ABSTRACT In vitro evolution of drug resistance is a powerful approach for identifying antimalarial targets, however key obstacles to eliciting resistance are the parasite inoculum size and mutation rate. Here we sought to increase parasite genetic diversity to potentiate resistance selections by editing catalytic residues of Plasmodium falciparum DNA polymerase δ. Mutation accumulation assays revealed a ∼5-8 fold elevation in the mutation rate, with an increase of 13-28 fold in drug-pressured lines. When challenged with KAE609, high-level resistance was obtained more rapidly and at lower inoculum than wild-type parasites. Selections were also successful with an “irresistible” compound, MMV665794 that failed to yield resistance with other strains. Mutations in a previously uncharacterized gene, PF3D7_1359900, which we term quinoxaline resistance protein (QRP1), were validated as causal for resistance to MMV665794 and an analog, MMV007224. The increased genetic repertoire available to this “ mutator” parasite can be leveraged to drive P. falciparum resistome discovery.

Abstract Investigating variation in genes involved in the absorption, distribution, metabolism , and excretion (ADME) of drugs are key to characterising pharmacogenomic (PGx) relationships. ADME gene variation is relatively well characterised in European and Asian populations, but African populations are under-studied – which has implications for safe and effective drug use in Africa. The genetic diversity of ADME genes across sub-Saharan African populations is large. The Southern African population cluster is most distinct from that of far West Africa. PGx strategies based on European variants will be of limited use in African populations. Although established variants are important, PGx must take into account the full range of African variation. This work urges further characterisation of variants in African populations including in vitro and in silico studies, and to consider the unique African ADME landscape when developing precision medicine guidelines and tools for African populations. Author summary The ADME genes are a group of genes that play a key role in absorption, distribution, metabolism and excretion of drugs. Variations in these genes can have a significant impact on drug safety and efficacy. Africa has a high level of genetic variation and is under-studied in drug development, which makes study of variations in these genes in African populations very important. Using a new data set of 458 high-coverage genomes from across Africa, we characterise the extent and impact of variation in the ADME genes, looking at both single nucleotide and copy number variations. We identified 343,368 variants, including 40,692 novel variants, and 930 coding variants which are predicted to have high impact on function. Our discovery curves indicate that there will be considerable value in sequencing more African genomes. Moreover, relatively few of these novel variants are captured on common genotyping arrays. We show that there is considerable diversity within Africa in some important genes, and this will have significant consequences for the emerging field of precision medicine in Africa.