To investigate the role of Toll-like receptor (TLR)9 in the immune response to mycobacteria as well as its cooperation with TLR2, a receptor known to be triggered by several major mycobacterial ligands, we analyzed the resistance of TLR9(-/-) as well as TLR2/9 double knockout mice to aerosol infection with Mycobacterium tuberculosis. Infected TLR9(-/-) but not TLR2(-/-) mice displayed defective mycobacteria-induced interleukin (IL)-12p40 and interferon (IFN)-gamma responses in vivo, but in common with TLR2(-/-) animals, the TLR9(-/-) mice exhibited only minor reductions in acute resistance to low dose pathogen challenge. When compared with either of the single TLR-deficient animals, TLR2/9(-/-) mice displayed markedly enhanced susceptibility to infection in association with combined defects in proinflammatory cytokine production in vitro, IFN-gamma recall responses ex vivo, and altered pulmonary pathology. Cooperation between TLR9 and TLR2 was also evident at the level of the in vitro response to live M. tuberculosis, where dendritic cells and macrophages from TLR2/9(-/-) mice exhibited a greater defect in IL-12 response than the equivalent cell populations from single TLR9-deficient animals. These findings reveal a previously unappreciated role for TLR9 in the host response to M. tuberculosis and illustrate TLR collaboration in host resistance to a major human pathogen.

ABSTRACT Reactivation of latent tuberculosis contributes significantly to the incidence of disease caused by Mycobacterium tuberculosis . The mechanisms involved in the containment of latent tuberculosis are poorly understood. Using the low-dose model of persistent murine tuberculosis in conjunction with MP6-XT22, a monoclonal antibody that functionally neutralizes tumor necrosis factor alpha (TNF-α), we examined the effects of TNF-α on the immunological response of the host in both persistent and reactivated tuberculous infections. The results confirm an essential role for TNF-α in the containment of persistent tuberculosis. TNF-α neutralization resulted in fatal reactivation of persistent tuberculosis characterized by a moderately increased tissue bacillary burden and severe pulmonic histopathological deterioration that was associated with changes indicative of squamous metaplasia and fluid accumulation in the alveolar space. Analysis of pulmonic gene and protein expression of mice in the low-dose model revealed that nitric oxide synthase was attenuated during MP6-XT22-induced reactivation, but was not totally suppressed. Interleukin-12p40 and gamma interferon gene expression in TNF-α-neutralized mice was similar to that in control mice. In contrast, interleukin-10 expression was augmented in the TNF-α-neutralized mice. In summary, results of this study suggest that TNF-α plays an essential role in preventing reactivation of persistent tuberculosis, modulates the pulmonic expression of specific immunologic factors, and limits the pathological response of the host.

Abstract Host resistance to the intracellular protozoan Toxoplasma gondii is highly dependent on early IL-12 production by APC. We demonstrate here that both host resistance and T. gondii-induced IL-12 production are dramatically reduced in mice lacking the adaptor molecule MyD88, an important signaling element used by Toll-like receptor (TLR) family members. Infection of MyD88-deficient mice with T. gondii resulted in uncontrolled parasite replication and greatly reduced plasma IL-12 levels. Defective IL-12 responses to T. gondii Ags (soluble tachyzoite Ag (STAg)) were observed in MyD88−/− peritoneal macrophages, neutrophils, and splenic dendritic cells (DC). In contrast, DC from TLR2- or TLR4-deficient animals developed normal IL-12 responses to STAg. In vivo treatment with pertussis toxin abolished the residual IL-12 response displayed by STAg-stimulated DC from MyD88−/− mice. Taken together, these data suggest that the induction of IL-12 by T. gondii depends on a unique mechanism involving both MyD88 and G protein-coupled signaling pathways.

Mycobacterium tuberculosis (Mtb) is the leading cause of death from infection worldwide1. The only available vaccine, BCG (Bacillus Calmette-Guérin), is given intradermally and has variable efficacy against pulmonary tuberculosis, the major cause of mortality and disease transmission1,2. Here we show that intravenous administration of BCG profoundly alters the protective outcome of Mtb challenge in non-human primates (Macaca mulatta). Compared with intradermal or aerosol delivery, intravenous immunization induced substantially more antigen-responsive CD4 and CD8 T cell responses in blood, spleen, bronchoalveolar lavage and lung lymph nodes. Moreover, intravenous immunization induced a high frequency of antigen-responsive T cells across all lung parenchymal tissues. Six months after BCG vaccination, macaques were challenged with virulent Mtb. Notably, nine out of ten macaques that received intravenous BCG vaccination were highly protected, with six macaques showing no detectable levels of infection, as determined by positron emission tomography-computed tomography imaging, mycobacterial growth, pathology and granuloma formation. The finding that intravenous BCG prevents or substantially limits Mtb infection in highly susceptible rhesus macaques has important implications for vaccine delivery and clinical development, and provides a model for defining immune correlates and mechanisms of vaccine-elicited protection against tuberculosis.

Abstract Mycobacterium tuberculosis lung infection results in a complex multicellular structure, the granuloma. In some granulomas, immune activity promotes bacterial clearance; in others, bacteria persist and grow. We identified correlates of bacterial control in cynomolgus macaque lung granulomas by co-registering longitudinal PET-CT imaging, single-cell RNA-sequencing, and measures of bacterial clearance. We find that bacterial persistence occurs in granulomas enriched for mast, endothelial, fibroblast and plasma cells, signaling amongst themselves via Type II immunity and wound healing pathways. In contrast, these interactions are largely absent in granulomas that drive bacterial control, which are often those that form later in the course of infection; these restrictive lesions are characterized by cellular ecosystems enriched for Type1-Type17, stem-like, and cytotoxic T cells engaged in pro-inflammatory signaling networks that involve diverse myeloid and non-immune cell populations. There is also a temporal aspect to bacterial control, in that granulomas that arise later in infection (in the context of an established immune response) share the functional characteristics of restrictive granulomas and are more capable of killing Mtb. Taken together, our results define the complex multicellular ecosystems underlying (lack of) granuloma resolution and highlight host immune targets that can be leveraged to develop new vaccine and therapeutic strategies for TB. One-Sentence Summary Bacterial control in TB lung granulomas correlates with distinct cellular immune microenvironments and time of formation after infection.

Abstract Tuberculosis remains a large global disease burden for which treatment regimens are protracted and monitoring of disease activity difficult. Existing detection methods rely almost exclusively on bacterial culture from sputum which limits sampling to organisms on the pulmonary surface. Advances in monitoring tuberculous lesions have utilized the common glucoside [ 18 F]FDG, yet lack specificity to the causative pathogen Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) and so do not directly correlate with pathogen viability. Here we show that a close mimic that is also positron-emitting of the non-mammalian Mtb disaccharide trehalose – 2-[ 18 F]fluoro-2-deoxytrehalose ([ 18 F]FDT) – is a mechanism-based reporter of Mycobacteria-selective enzyme activity in vivo. Use of [ 18 F]FDT in the imaging of Mtb in diverse models of disease, including non-human primates, successfully co-opts Mtb -mediated processing of trehalose to allow the specific imaging of TB-associated lesions and to monitor the effects of treatment. A pyrogen-free, direct enzyme-catalyzed process for its radiochemical synthesis allows the ready production of [ 18 F]FDT from the most globally-abundant organic 18 F-containing molecule, [ 18 F]FDG. The full, pre-clinical validation of both production method and [ 18 F]FDT now creates a new, bacterium-selective candidate for clinical evaluation. We anticipate that this distributable technology to generate clinical-grade [ 18 F]FDT directly from the widely-available clinical reagent [ 18 F]FDG, without need for either custom-made radioisotope generation or specialist chemical methods and/or facilities, could now usher in global, democratized access to a TB-specific PET tracer.

Abstract Tuberculosis (TB) is the leading infectious cause of death among people living with HIV (PLHIV). PLHIV are more susceptible to contracting Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) infection and often have worsened TB disease. Understanding the immunologic defects caused by HIV and the consequences it has on Mtb co-infection is critical in combating this global health epidemic. We previously established a model of simian immunodeficiency virus (SIV) and Mtb co-infection in Mauritian cynomolgus macaques (MCM), and showed that SIV/ Mtb co-infected MCM had rapidly progressive TB. We hypothesized that pre-existing SIV infection impairs early T cell responses to Mtb infection. To test our hypothesis, we infected MCM with SIVmac239 intrarectally followed by co-infection with a low dose of Mtb Erdman 6 months later. SIV-naïve MCM were infected with Mtb alone as controls. Six weeks after Mtb infection, animals were necropsied and immune responses were measured by multiparameter flow cytometry. While the two groups exhibited similar TB progression at time of necropsy (Nx), longitudinal sampling of the blood (PBMC) and airways (BAL) revealed a significant reduction in circulating CD4+ T cells and an influx of CD8+ T cells in airways following Mtb co-infection of SIV+ animals. Differences in the activation markers CD69, PD-1, and TIGIT were observed. At sites of Mtb infection ( i.e. granulomas), SIV/ Mtb co-infected animals had a higher proportion of CD4+ and CD8+ T cells expressing PD-1 and TIGIT. In addition, there were fewer TNF-producing CD4+ and CD8+ T cells in granulomas and airways of SIV/ Mtb co-infected animals. Taken together, we show that concurrent SIV infection alters T cell phenotypes in granulomas during the early stages of TB disease. As it is critical to establish control of Mtb replication soon after infection, these phenotypic changes may distinguish the immune dysfunction that arises from pre-existing SIV infection which promotes TB progression. Author Summary People living with HIV are incredibly susceptible to TB and, when co-infected with Mtb , often develop serious TB disease. We do not yet understand precisely how HIV infection impairs the early stages of the adaptive immune response against Mtb bacilli. We employed a non-human primate model of HIV, using SIV as a surrogate for HIV, followed by Mtb co-infection to investigate the immunologic defects associated with pre-existing SIV infection over the first six weeks of Mtb co-infection. Our study focused on CD4+ and CD8+ T cells as these cells are known to play an important role in Mtb control. We found more CD8+ T cells in granulomas, the sites of Mtb infection, from SIV/ Mtb co-infected animals, with little difference in CD4+ T cells. SIV/ Mtb co-infected animals and animals infected with SIV alone had a higher proportion of both CD4+ and CD8+ T cells expressing activation markers compared to SIV-naïve animals, consistent with SIV-dependent immune activation. Notably, we observed a lower proportion of TNF-producing T cells, a cytokine critical for Mtb control, in granulomas and airways of SIV/ Mtb co-infected animals. Taken together, these data show that pre-existing SIV alters T cell phenotypes and reduces TNF responses early in Mtb infection.

Abstract Individuals infected with both HIV and Mycobacterium tuberculosis (Mtb) are more likely to develop severe Tuberculosis (TB) disease than HIV-naïve individuals. To understand how a chronic pre-existing Simian immunodeficiency virus (SIV) infection impairs the early immune response to Mtb, we used the Mauritian cynomolgus macaque (MCM) model of SIV/Mtb co-infection. We examined the relationship between peripheral viral control and Mtb burden, Mtb dissemination, and immunological function between SIV+ spontaneous controllers, SIV+ non-controllers, and SIV-naïve MCM who were challenged with a barcoded Mtb Erdman strain and necropsied six weeks post infection. Mycobacterial burden was highest in the SIV+ non-controllers in all assessed tissues. In lung granulomas, we found the frequency of CD4+ T cells producing TNFα was reduced in all SIV+ MCM, but CD4+ T cells producing IFNγ were only lower in the SIV+ non-controllers. Further, while all SIV+ MCM had more PD1+ and TIGIT+ T cells in the lung granulomas relative to SIV-naïve MCM, SIV+ controllers exhibited the highest frequency of cells expressing these markers. To measure the effect of SIV infection on within-host bacterial dissemination, we sequenced the molecular barcodes of Mtb present in each tissue and characterized the complexity of the Mtb populations. While Mtb population complexity was not associated with infection group, lymph nodes had increased complexity when compared to lung granulomas across all groups. These results provide evidence SIV+ animals, independent of viral control, exhibit dysregulated immune responses and enhanced dissemination of Mtb, likely contributing to the poor TB disease course across all SIV/Mtb co-infected animals. Importance HIV and TB remain significant global health issues, despite the availability of treatments. Individuals with HIV, including those who are virally suppressed, are at an increased risk to develop and succumb to severe TB disease when compared to HIV-naïve individuals. Our study aims to understand the relationship between SIV replication, mycobacterial growth, and immunological function in the tissues of co-infected Mauritian cynomolgus macaques during the early phase of Mtb infection. Here we demonstrate that increased viral replication is associated with increased bacterial burden in the tissues and impaired immunologic responses, and that the damage attributed to virus infection is not fully eliminated when animals spontaneously control virus replication.

ABSTRACT Despite the extensive research on CD4 T cells within the context of Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection, few studies have focused on identifying and investigating the profile of Mtb-specific T cells within lung granulomas. To facilitate identification of Mtb-specific CD4 T cells, we identified immunodominant epitopes for two Mtb proteins, Rv1196 and Rv0125, using a Mauritian cynomolgus macaque model of Mtb infection, providing data for the synthesis of MHC Class II tetramers. Using tetramers, we identified Mtb-specific cells within different immune compartments post-infection. We found that granulomas were enriched sites for Mtb-specific cells and that tetramer + cells had increased frequencies of the activation marker CD69, and transcription factors T-bet and RORγT, compared to tetramer negative cells within the same sample. Our data revealed that while the frequency of Rv1196 tetramer + cells was positively correlated with granuloma bacterial burden, the frequency of RORγT or T-bet within tetramer + cells was inversely correlated with granuloma bacterial burden highlighting the importance of having activated, functional Mtb-specific cells for control of Mtb in lung granulomas.

Abstract Tuberculosis (TB) continues to be one of the deadliest infectious diseases in the world, causing ~1.5 million deaths every year. The World Health Organization initiated an End TB Strategy that aims to reduce TB-related deaths in 2035 by 95%. Recent research goals have focused on discovering more effective and more patient-friendly antibiotic drug regimens to increase patient compliance and decrease emergence of resistant TB. Moxifloxacin is one promising antibiotic that may improve the current standard regimen by shortening treatment time. Clinical trials and in vivo mouse studies suggest that regimens containing moxifloxacin have better bactericidal activity. However, testing every possible combination regimen with moxifloxacin either in vivo or clinically is not feasible due to experimental and clinical limitations. To identify better regimens more systematically, we simulated pharmacokinetics/pharmacodynamics of various regimens (with and without moxifloxacin) to evaluate efficacies, and then compared our predictions to both clinical trials and nonhuman primate studies performed herein. We used GranSim , our well-established hybrid agent-based model that simulates granuloma formation and antibiotic treatment, for this task. In addition, we established a multiple-objective optimization pipeline using GranSim to discover optimized regimens based on treatment objectives of interest, i.e., minimizing total drug dosage and lowering time needed to sterilize granulomas. Our approach can efficiently test many regimens and successfully identify optimal regimens to inform pre-clinical studies or clinical trials and ultimately accelerate the TB regimen discovery process. Author summary Tuberculosis (TB) is a top global health concern and treatment for TB requires multiple antibiotics taken for long periods of time, which is challenging for TB patients. Therefore, identifying regimens that are more effective and more patient-friendly than the standard treatment is urgently needed. It is also known that non-compliance leads to the development of drug resistant TB. In this work, we pair computational and experimental models to predict new regimens for the treatment of TB that optimize how fast bacteria are cleared using minimal dosage. We apply novel approaches to this goal and validate our predictions using a non-human primate model. Our findings suggest that systems pharmacological modeling should be employed as a method to narrow the design space for drug regimens for tuberculosis and other diseases as well.