Evaluation of the rRNA Synthesis Ratio: A Pharmacodynamic Marker Based on Mycobacterium Tuberculosis Precursor rRNA

Abstract

New shorter treatment regimens for both drug-susceptible and drug-resistant tuberculosis (TB) are urgently needed. The key roadblock in TB regimen development is lack of valid surrogate pharmacodynamic markers for TB relapse. A recently-proposed assay called the ribosomal RNA (rRNA) synthesis (RS) Ratio measures a fundamentally novel property, how drug impacts ongoing bacterial rRNA synthesis. A central difference between the RS ratio and existing PD markers is that most existing PD markers are designed to enumerate the burden of M. tuberculosis ( Mtb) while the RS ratio measures the effect of drugs on a fundamental physiologic parameter. This dissertation evaluated the RS Ratio in three different ways. First, when quantified in pre-treatment sputa from Ugandan patients with drug-susceptible pulmonary TB, the RS ratio was highly repeatable, reproducible and independent of markers of Mtb burden, confirming it measures a distinct property. Second, given the lack of established guidelines for measuring the precision and defining the limit of quantification of ratiometric assays – we developed and validated a new method for the RS ratio assay. Last, we contextualized the RS Ratio relative to two PD markers of Mtb burden in murine TB experiments. Our results suggest different types of PD markers elucidate different characteristics of treatment effect. In addition, the combination of PD markers improved our capacity to differentiate treatment regimens better than any individual PD markers.

Alternate abstract:

De nouveaux schémas thérapeutiques plus courts pour traiter la tuberculose pharmacosensible et pharmacorésistante sont nécessaires de toute urgence. Le principal obstacle à l'élaboration d'un schéma thérapeutique antituberculeux est le manque de marqueurs pharmacodynamiques de substitution valides pouvant prédire une rechute. Un essai récemment proposé appelé le ratio de synthèse d'ARNr mesure une propriété fondamentalement nouvelle. La différence principale entre le ratio de synthèse d'ARNr et les marqueurs existants est que la plupart des marqueurs existants sont conçus pour dénombrer la charge de M. tuberculosis. Cette thèse a évalué le ratio de synthèse d'ARNr en tant que marqueur de l'effet du traitement sur un paramètre physiologique fondamental. Premièrement, lorsqu'il est quantifié dans les crachats de patients atteints de tuberculose pharmacosensible, avant le début du traitement: le ratio de synthèse d'ARNr était répétable, reproductible et indépendant des marqueurs de charge existants, confirmant qu'il mesure une propriété distincte. Deuxièmement, étant donné le manque de lignes directrices établies pour mesurer la précision et définir la limite de quantification des ratios, nous avons développé et validé une nouvelle méthode pour le ratio de synthèse d'ARNr. Troisièmement, nous avons contextualisé le ratio de synthèse d'ARNr par rapport à deux autres marqueurs dans les modèles murins. Nos résultats suggèrent que différents types de marqueurs élucident différentes caractéristiques de l'effet du traitement. De plus, la combinaison de marqueurs a amélioré notre capacité à différencier les schémas thérapeutiques mieux que n'importe quel marqueur individuel.