Abstract Multidrug-resistant (MDR) and extensively drug resistant (XDR) Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) strains are a great challenge for tuberculosis (TB) control in India. Still, factors driving the MDR/XDR epidemic in India are not well defined. To address this, whole genome sequencing (WGS) data from 1 852 MTBC strains obtained from patients from a tertiary care hospital laboratory in Mumbai were used for phylogenetic strain classification, resistance prediction, and cluster analysis (12 allele distance threshold). Factors associated with pre-XDR/XDR-TB were defined by odds ratios and a multivariate logistic regression model. Overall, 1 017 MTBC strains were MDR, out of which 57.8 % (n=591) were pre-XDR, and 17.9 % (n=183) were XDR. Lineage 2 (L2) strains represented 41.7 % of the MDR, 77.2 % of the pre-XDR, and 86.3 % of the XDR strains, and were significantly associated with pre-XDR/XDR-TB (P < 0.001). Cluster rates were high among MDR (78 %) and pre-XDR/XDR (85 %) strains with three dominant L2 strain clusters (Cl 1-3) representing half of the pre-XDR and two thirds of the XDR-TB cases. Cl 1 strains accounted for 52.5 % of the XDR MTBC strains. Transmission could be confirmed by identical mutation patterns of particular pre-XDR/XDR strains. As a conclusion high rates of pre-XDR/XDR strains among MDR-TB patients require rapid changes in treatment and control strategies. Transmission of particular pre-XDR/XDR L2 strains is the main driver of the pre-XDR/XDR-TB epidemic. Accordingly, control of the epidemic in the region requires measures with stopping transmission especially of pre-XDR/XDR L2 strains.

Drug resistant tuberculosis (TB) cases are primarily driven by transmission, however, treatment failure and acquisition of drug resistance are still significant issues in drug sensitive TB cases. Study of gene expression in Mycobacterium tuberculosis (Mtb) isolated from poor outcome patients may offer clues towards prediction of treatment response. In the current study, expression of five non-drug target genes (ppsD, embC, Rv1457c, Rv1687c and recB) previously identified to be associated with drug resistance was studied in clinical isolates from patients with different treatment outcomes to examine its correlation to treatment response and acquisition of drug resistance in Mtb. Our results show that expression of ppsD, a gene involved in synthesis of cell wall lipid PDIM, was significantly increased in patients who developed drug resistance during treatment and patients who were drug resistant at diagnosis. On the other hand in longitudinal isolates collected during treatment, ppsD expression decreased consistently in patients who responded to treatment and became culture negative, while it increased in patients who did not respond to treatment as indicated by their culture positive status towards the end of treatment. These results demonstrate that ppsD expression reflects treatment response in TB patients and hence can be potentially used as a marker for predicting treatment response. Additional longitudinal studies with a larger cohort of patients are required to establish application of ppsD expression as a marker of treatment response.

Abstract Background Universal access to drug susceptibility testing for newly diagnosed tuberculosis patients is recommended. Access to culture-based diagnostics remains limited and targeted molecular assays are vulnerable to emerging resistance conferring mutations. Improved sample preparation protocols for direct-from-sputum sequencing of Mycobacterium tuberculosis would accelerate access to comprehensive drug susceptibility testing and molecular typing. Methods We assessed a thermo-protection buffer-based direct-from-sample M. tuberculosis whole-genome sequencing protocol. We prospectively processed and analyzed 60 acid-fast bacilli smear-positive sputum samples from tuberculosis patients in India and Madagascar. A diversity of semi-quantitative smear positivity level samples were included. Sequencing was performed using Illumina and MinION (monoplex and multiplex) technologies. We measured the impact of bacterial inoculum and sequencing platforms on M. tuberculosis genomic mean read depth, drug susceptibility prediction performance and typing accuracy. Results M. tuberculosis was identified from 88% (Illumina), 89% (MinION-monoplex) and 83% (MinION-multiplex) of samples for which sufficient DNA could be extracted. The fraction of M. tuberculosis reads from MinION sequencing was lower than from Illumina, but monoplexing grade 3+ sputum samples on MinION produced higher read depth than Illumina ( p <0.05) and MinION multiplex ( p <0.01). No significant difference in overall sensitivity and specificity of drug susceptibility predictions was seen across these sequencing modalities or within each sequencing technology when stratified by smear grade. Lineage typing agreement percentages between direct and culture-based sequencing were 85% (MinION-monoplex), 88% (Illumina) and 100% (MinION-multiplex) Conclusions M. tuberculosis direct-from-sample whole-genome sequencing remains challenging. Improved and affordable sample treatment protocols are needed prior to clinical deployment.