Drug targeting for improved treatment of multi drug resistant tuberculosis.

Tuberkulose, forårsaket av Mycobacterium tuberculosis, er fortsatt den mest alvorlige bakterielle sykdommen hos mennesker. For inntil omtrent 10 år siden har den samme miksturen av fire antibiotika blitt benyttet for å behandle tuberkulose (TB) i over 50 år. Denne medisin kombinasjon virker og har god effekt mot TB, men er også giftig for pasienter, det trengs minimum 6 måneder med behandling, og utviklingen av multiresistente bakterier er et stadig voksende problem for denne sykdommen, som er den mest dødelige infeksjonssykdommen blant mennesker. I lang tid ble ingen nye medisiner med god effekt introdusert mot TB, men i 2005 ble to nye medisiner syntetisert med høy aktivitet mot TB og med svært lovende resultater i kliniske studier, nemlig pretomanid og bedaquiline. Dette ble de første TB medisinene som ble godkjent for bruk i mennesker på over 50 år og i laboratorieforsøk viser de lovende effekt mot multiresistente bakteriestammer av M.tuberculosis. Siden 2010 har Griffiths gruppe jobbet med hypotesen at effektiviteten til medisiner generelt kan bli forsterket, og bivirkninger redusert, ved å innkapsulere dem i nanopartikler (NP) som til dels kan bli rettet mot sykdomsstedet i kroppen, såkalt «targeted delivery». Per nå er de fleste dyrestudier utført i mus, dette er et problem fordi det er vanskelig å visualisere NP inne i et dyr som ikke er gjennomsiktig. På grunn av dette introduserte vi i 2010 det transparente sebrafisk embryoet som en modell der man kan visualisere handlingsforløpet til injiserte NP og cellene de interagerer med. Fiskene blir infisert med Mycobacterium marinum, patogenet for TB i fisk, som basert på sekvens analyse er tett beslektet M.tuberculosis. Vi etablerte, med suksess, et sterkt internasjonalt konsortium hvor Andrew Thompson i New Zealand syntetiserer nye derivater av pretomanid som videre blir sendt for innkapsulering i NP til Matthias Barz (Mainz, Tyskland); disse derivatene har i New Zealand blitt testet mot M.tuberculosis in vitro, og samtlige er mer potente enn pretomanid. NP prøvene blir så sendt til vår gruppe for toksisitet og behandlingsstudier mot TB i sebrafisk embryoer. Rundt 10 forbindelser har per nå blitt testet i detalj og en medisin har vist seg særs effektiv (drug D) mot TB i fisk. Denne medisin-NP formuleringen ble videre testet i mus infisert med M.tuberculosis av Ulrich Schaible (Borstel, Tyskland), med lav toksisitet og god effekt på behandlingen som resultat. Artikkelen som beskriver dette arbeidet ble vel mottatt og er nå i revisjon for publikasjon i det høytstående NP tidsskriftet ACS Nano. Et sideprosjekt som har dukket opp fra dette prosjektet er basert på den voksende realiseringen at TB granuloma (infeksjonsstedet, der de fleste bakteriene akkumulerer) deler mange funksjonelle egenskaper med tumorer som dannes i forbindelse med kreft. Forskeren Federico Fenaroli finansiert via dette prosjektet veiledet masterstudenten Agnese Kocere som utviklet en kreftmodell basert på injeksjon av kreftceller fra mus inn i sebrafisk. En cellegift ble formulert inn i NP av Bruno De Geest (Ghent, Belgia) og viste seg å være svært effektiv i å behandle kreft i fisk. Slike eksperimenter er normalt utført i mus, men det er langt enklere å observere NP i det gjennomsiktige fiske embryoet. Denne studien ble publisert i EBioMedicine. Denne strategien reduserer også betraktelig behovet for bruk av mus i dyreforsøk, noe som gjør bruken av fisk mer etisk akseptert av samfunnet.

Outcomes: 1. Establishment of international expert multi-disciplinary research collaboration that included three international network meetings. 2. Impact: 1. Development of promising nanoparticle formulation that encapsulates a new derivative of the pretomanid against tuberculosis. 2. Establishment of the zebrafish as a better screening animal for nanoparticles than mouse due to its improved imaging capabilities. 3. A reduction in use of mice in agreement with international animal use ethical goals.

Multi-drug resistant (MDR) TB is a global public health issue. It requires treatment for over 2 years with extremely toxic drugs. These agents need smarter drug delivery systems to minimize their toxic effects and shorten treatment regimens. Incorporating drugs into nanoparticles (NP) can target host cells (macrophages) that then assemble into granulomas, where Mtb hides from the immune system. Such NP can overcome low antibiotic permeability into TB granulomas. Experience from cancer chemotherapy shows that NP targeting enhances drug efficacy and reduces toxicity towards non-target cells. This proposal combines an Oslo group developing NP for injection and an Indian group focused on TB inhalation therapy using larger microparticles (MP). A New Zealand group specializing in derivatives of the new MDR-TB drug PA-824 and two NP specialist groups in Germany and Belgium will give crucial support. We propose a hierarchical strategy to make and evaluate NP/MP containing derivatives of PA-824 that exhibit higher potency but low oral bioavailability. Three other MDR-TB drugs will also be tested. NP containing drugs will first be tested in Mtb-infected macrophages. Promising NP/MP will be evaluated in the zebrafish embryo model of granulomatous TB that allows bacteria, NP and host cells to be seen together in real time at high resolution. Little is known about dynamic cellular interaction within granulomas. The zebrafish model can address biodistribution and toxicity of drug-containing NP rapidly and inexpensively, as an optimal intermediate screen between the cellular and mammalian models. It can generate proof-of-concept of enhanced efficacy through NP targeting. NP that show safe and efficient targeting in zebrafish will be tested in the aerosol infection mouse model of TB, to generate data required for regulatory approval. Our multi-disciplinary strategy provides a rational foundation for enabling preclinical development of novel delivery systems for MDR TB.