Development of novel Mycobacterial Tolerance Inhibitors (MTIs) against MDR/XDR tuberculosis

Mycobacterium tuberculosis (Mtb) er årsaken til den alvorlige sykdommen tuberkulose (TB). Multi-resistent Mtb er en hovedsak på WHO’s liste over de viktigste sykdomsfremkallende mikrobene i verden. Listen er utarbeidet for å fremme forskning og utvikling av ny behandling mot multi-resistente mikrober. I mange land er inntil 48% av nye TB-tilfeller forårsaket av multi-resistent Mtb. Dagens behandling mot TB omfatter en kombinasjon av antibiotika som i utgangspunktet var meget virksom. Imidlertid har stor grad av antibiotikaresistens i form av multi-resistens utviklet seg i den tidligere følsomme Mtb-bakterien. Denne svikten i nåværende TB-behandling gir et stort behov for ny behandling mot Mtb-infeksjon, for å nå WHO’s bærekraftsmål om å stoppe TB-epidemien innen 2030. Økt forståelse av mekanismene som gir Mtb legemiddeltoleranse og antibiotikaresistens er derfor vesentlig for å forbedre dagens TB-behandling. I denne sammenhengen har partnerne i JPIAMR konsortium MTI4MDR-TB oppdaget og videreutviklet en ny komponent-familie av ringformete 2-pyridoner, såkalte Mycobacterial Tolerance Inhibitors (MTI). MTI har en unik virkningsmekanisme idet de gjør at Mtb blir sensitivisert under stress, noe som oppstår i vertscellen under TB-infeksjon. MTI gjenoppretter derved virkningen av frontlinje-medikamentet isoniazid (INH) i INH-resistente Mtb referanse-isolater. Vi har i dette prosjektet vist at MTI virker i aktuelle kliniske Mtb-isolater som har ulike resistensmønstre. For å oppnå dette, har vi testet effekten av MTI alene og i kombinasjon med INH og andre medikamenter på sensitive og resistente Mtb-isolater i flytende dyrkningsmedier. Vi har testet ulike versjoner av MTIs i et panel med Mtb kliniske isolater med forskjellig grad og mekanisme for antibiotikaresistens. Effekten av MTI har blitt analysert ved vekst in vitro og påvisning av redoks-potensiale ved hjelp av Resazurin i mikrotiter-assay (REMA). Vi har derved oppdaget at MTI virker godt mot de kliniske Mtb-isolatene med ulik form for resistens. I tillegg har vi undersøkt synergi av MTIs med ulike antibiotika brukt i TB-behandling, slik som INH og Bedaquiline. Disse synergi-studiene utfører vi blant annet ved hjelp av checkerboard-analyse. Vi har også oppdaget molekylære mekanismer for MTIs i Mtb (proof of concept). For å oppdage virkningsmekanismen til MTI, har vi brukt en kombinasjon av Mtb-kulturer med og uten MTI-tilsetning, molekylærbiologi, mutantkonstruksjon, testing av MTI og helgenom/proteom-metoder. Denne kombinerte tilnærmingen har gjort det mulig å oppdage de molekylære mekanismene som er involvert i Mtb MTI-medikamenttoleranse og -resistens. Proteomanalyser er utført ved bruk av massespektrometri på Mtb-laboratoriestammer og kliniske isolater behandlet med: 1) MTI alene, 2) MTI og INH, 3) INH alene og 4) kun DMSO som kontroll. Massespektrometri resultatene ble videre analysert ved bruk av statistiske og bioinformatiske verktøy, der vi også undersøkte forskjellene og likhetene i proteomet mellom disse fire behandlingene. Derved har vi identifisert proteiner som er involvert i metabolske og cellulære biologiske prosesser, samt membran- og intracellulære komponenter. Våre resultater har i tillegg vist at kliniske isolater med forskjellig grad av INH-resistens er følsomme for MTI, alene og i kombinasjon med INH og andre anti-mykobakterielle legemidler. Herved har nye og enda bedre MTI også blitt utviklet. Vi er også i gang med å avdekke mekanismene for utvikling av toleranse og resistens mot MTI. Vi har som videre mål å optimalisere dagens versjon av MTI til ny behandling som kan inntas som tabletter. Vi har også identifisert nye aktive «lead» MTI-kandidater for videre studier. Dette er viktige skritt på veien for å oppdage hvordan MTIene fungerer og for å optimalisere TB-behandling fremover.

There is a substantial medical need and market potential for new TB therapy. The MTI4MDR-TB project has clearly demonstrated innovative potential towards unmet medical and patient needs and health impact. The MTI product will not only improve quality of life for users; it will save the lives of numerous patients infected with bacteria that otherwise would be resistant to the drugs available. MTIs also offer a low toxicity treatment alternative that will reduce the frequency of serious morbidity. The product will have a positive environmental impact because it is more difficult for the bacteria to develop resistance to such combination drugs. Saving lives, reducing morbidity due to side-effects and returning patients to work in shorter time, represents considerable socio-economic savings. The MTI4MDR-TB project scheme and team who has worked together in an interdisciplinary setting will promote health and innovation and secure contact between translational medicine, basic science and industry, amalgamating our ideas and potential products in an already interactive setting.

In 2017, the WHO published the Global priority pathogen lists with the aim to promote research and development of new treatments that are effective against microbes resistant to multiple antibiotics. Among them, multi- and extensively drug-resistant Mycobacterium tuberculosis (Mtb) caused 48% of new tuberculosis (TB) cases in some countries in 2016. Current regimens for the treatment of TB include a combination of antibiotics developed for their strong efficacy against drug sensitive bacterium. The inadequacies of present TB therapies demand discovery of new agents with unique mechanisms of action to treat Mtb infection. Towards this end, we have discovered and developed a new family of ringfused 2-pyridones (termed Mycobacterial Tolerance Inhibitors, MTIs) that invoke collateral sensitivity in Mtb by potently sensitizing Mtb to stresses encountered during infection and restoring activity to the frontline antibiotic isoniazid (INH) in otherwise INH-resistant Mtb isolates. Our short-term objectives are to demonstrate preclinical proof-of-concept for MTIs to combat Mtb infection, optimize the current lead MTIs for translation to a therapeutic, and reveal new insights into pathways of drug tolerance and resistance. Our long-term objective is to develop a new orally available antibiotic that improves the current regimens for patients with drug-resistant TB. We will also generate a deeper understanding of the MTI mode of action and their potential in synergistic interactions with other drugs. Importantly, we will also study how likely it will be for Mtb to develop resistance to combinations of MTIs and INH and other antibiotics.