Tuberculosis, a major health problem in developing countries, has reemerged in recent years in many industrialized countries. The increased susceptibility of immunocompromised individuals to tuberculosis, and many experimental studies indicate that T cell-mediated immunity plays an important role in resistance. The lymphokine interferon gamma (IFN-gamma) is thought to be a principal mediator of macrophage activation and resistance to intracellular pathogens. Mice have been developed which fail to produce IFN-gamma (gko), because of a targeted disruption of the gene for IFN-gamma. Upon infection with Mycobacterium tuberculosis, although they develop granulomas, gko mice fail to produce reactive nitrogen intermediates and are unable to restrict the growth of the bacilli. In contrast to control mice, gko mice exhibit heightened tissue necrosis and succumb to a rapid and fatal course of tuberculosis that could be delayed, but not prevented, by treatment with exogenous recombinant IFN-gamma.

Mice with a targeted disruption in the beta 2-microglobulin (beta 2m) gene, which lack major histocompatibility complex class I molecules and consequently fail to develop functional CD8 T cells, provided a useful model for assessing the role of class I-restricted T cells in resistance to infection with virulent Mycobacterium tuberculosis. Of mutant beta 2m-/-mice infected with virulent 10(6) M. tuberculosis, 70% were dead or moribund after 6 weeks, while all control mice expressing the beta 2m gene remained alive for > 20 weeks. Granuloma formation occurred in mutant and control mice, but far greater numbers of tubercle bacilli were present in the lungs of mutant mice than in controls, and caseating necrosis was seen only in beta 2m-/-lungs. In contrast, no differences were seen in the course of infection of mutant and control mice with an avirulent vaccine strain, bacille Calmette-Guérin (BCG). Immunization with BCG vaccine prolonged survival of beta 2m-/-mice after challenge with M. tuberculosis for 4 weeks but did not protect them from death. These data indicate that functional CD8 T cells, and possibly T cells bearing gamma delta antigen receptor, are a necessary component of a protective immune response to M. tuberculosis in mice.

Abstract IL-17 is a cytokine produced by T cells in response to IL-23. Recent data support a new subset of CD4 Th cells distinct from Th1 or Th2 cells that produce IL-17 and may contribute to inflammation. In this study, we demonstrate that, in naive mice, as well as during Mycobacterium tuberculosis infection, IL-17 production is primarily from γδ T cells and other non-CD4+CD8+ cells, rather than CD4 T cells. The production of IL-17 by these cells is stimulated by IL-23 alone, and strongly induced by the cytokines, including IL-23, produced by M. tuberculosis-infected dendritic cells. IL-23 is present in the lungs early in infection and the IL-17-producing cells, such as γδ T cells, may represent a central innate protective response to pulmonary infection.

ABSTRACT Understanding the physical characteristics of the local microenvironment in which Mycobacterium tuberculosis resides is an important goal that may allow the targeting of metabolic processes to shorten drug regimens. Pimonidazole hydrochloride (Hypoxyprobe) is an imaging agent that is bioreductively activated only under hypoxic conditions in mammalian tissue. We employed this probe to evaluate the oxygen tension in tuberculous granulomas in four animal models of disease: mouse, guinea pig, rabbit, and nonhuman primate. Following infusion of pimonidazole into animals with established infections, lung tissues from the guinea pig, rabbit, and nonhuman primate showed discrete areas of pimonidazole adduct formation surrounding necrotic and caseous regions of pulmonary granulomas by immunohistochemical staining. This labeling could be substantially reduced by housing the animal under an atmosphere of 95% O 2 . Direct measurement of tissue oxygen partial pressure by surgical insertion of a fiber optic oxygen probe into granulomas in the lungs of living infected rabbits demonstrated that even small (3-mm) pulmonary lesions were severely hypoxic (1.6 ± 0.7 mm Hg). Finally, metronidazole, which has potent bactericidal activity in vitro only under low-oxygen culture conditions, was highly effective at reducing total-lung bacterial burdens in infected rabbits. Thus, three independent lines of evidence support the hypothesis that hypoxic microenvironments are an important feature of some lesions in these animal models of tuberculosis.

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.

Understanding how Mycobacterium tuberculosis is controlled by the body, leading to active disease in only a small fraction of infected individuals, is important for developing medical interventions to prevent and manage disease. Lin et al. now show that infected macaques with active tuberculosis have some sterile granulomas, suggesting immune-mediated control at certain sites of infection. Insight into the mechanisms underlying the heterogeneity of mycobacterial killing may inform vaccine development. Over 30% of the world's population is infected with Mycobacterium tuberculosis (Mtb), yet only ∼5–10% will develop clinical disease1. Despite considerable effort, researchers understand little about what distinguishes individuals whose infection progresses to active tuberculosis (TB) from those whose infection remains latent for decades. The variable course of disease is recapitulated in cynomolgus macaques infected with Mtb2. Active disease occurs in ∼45% of infected macaques and is defined by clinical, microbiologic and immunologic signs, whereas the remaining infected animals are clinically asymptomatic2,3. Here, we use individually marked Mtb isolates and quantitative measures of culturable and cumulative bacterial burden to show that most lung lesions are probably founded by a single bacterium and reach similar maximum burdens. Despite this observation, the fate of individual lesions varies substantially within the same host. Notably, in active disease, the host sterilizes some lesions even while others progress. Our data suggest that lesional heterogeneity arises, in part, through differential killing of bacteria after the onset of adaptive immunity. Thus, individual lesions follow diverse and overlapping trajectories, suggesting that critical responses occur at a lesional level to ultimately determine the clinical outcome of infection. Defining the local factors that dictate outcome will be useful in developing effective interventions to prevent active TB.

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 Nonhuman primates were used to develop an animal model that closely mimics human Mycobacterium tuberculosis infection. Cynomolgus macaques were infected with low doses of virulent M. tuberculosis via bronchoscopic instillation into the lung. All monkeys were successfully infected, based on tuberculin skin test conversion and peripheral immune responses to M. tuberculosis antigens. Progression of infection in the 17 monkeys studied was variable. Active-chronic infection, observed in 50 to 60% of monkeys, was characterized by clear signs of infection or disease on serial thoracic radiographs and in other tests and was typified by eventual progression to advanced disease. Approximately 40% of monkeys did not progress to disease in the 15 to 20 months of study, although they were clearly infected initially. These monkeys had clinical characteristics of latent tuberculosis in humans. Low-dose infection of cynomolgus macaques appears to represent the full spectrum of human M. tuberculosis infection and will be an excellent model for the study of pathogenesis and immunology of this infection. In addition, this model will provide an opportunity to study the latent M. tuberculosis infection observed in ∼90% of all infected humans.

Dendritic cells (DC) play an essential role in the initiation of primary T cell responses to foreign Ag. It is likely that these potent APC are critical in the initiation of immune responses to pathogens, such as bacteria or parasites. However, little is known about the interaction of these important APC with pathogens. To address this issue, the interaction of the bacterium Mycobacterium tuberculosis with human DC was studied. DC generated from human peripheral blood by short term culture in medium containing recombinant human cytokines granulocyte-macrophage-CSF and IL-4 were capable of phagocytosing M. tuberculosis. Infection of DC with live M. tuberculosis bacilli resulted in increased APC surface expression of the costimulatory molecules CD54, CD40, and B7.1, as well as MHC class I molecules. In addition, infected DC secreted elevated levels of inflammatory cytokines, including TNF-alpha, IL-1, and IL-12. M. tuberculosis-infected human monocytes also secreted inflammatory cytokines, but exhibited no enhancement of costimulatory or MHC class I molecule expression. These data indicate that infection with M. tuberculosis results in the direct activation and maturation of these DC. In vivo, such activation may facilitate migration to the lymph nodes, and enhance presentation of Ag to T cells, thereby facilitating the induction of the immune response against this pathogen.

Sarah Fortune and colleagues report the whole-genome sequencing of Mycobacterium tuberculosis strains isolated from cynomolgus macaques with either active, latent or early reactivation disease. They estimate a similar mutation rate for these disease states in vivo, as well as for the bacterium in vitro. This suggests that M. tuberculosis has a greater mutational rate during latent and early reactivation disease than previously predicted and may be able to acquire drug resistance during these states. Tuberculosis poses a global health emergency, which has been compounded by the emergence of drug-resistant Mycobacterium tuberculosis (Mtb) strains. We used whole-genome sequencing to compare the accumulation of mutations in Mtb isolated from cynomolgus macaques with active, latent or reactivated disease. We sequenced 33 Mtb isolates from nine macaques with an average genome coverage of 93% and an average read depth of 117×. Based on the distribution of SNPs observed, we calculated the mutation rates for these disease states. We found a similar mutation rate during latency as during active disease or in a logarithmically growing culture over the same period of time. The pattern of polymorphisms suggests that the mutational burden in vivo is because of oxidative DNA damage. We show that Mtb continues to acquire mutations during disease latency, which may explain why isoniazid monotherapy for latent tuberculosis is a risk factor for the emergence of isoniazid resistance1,2.