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.

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.

ABSTRACT We previously described that low-dose Mycobacterium tuberculosis infection in cynomolgus macaques results in a spectrum of disease similar to that of human infection: primary disease, latent infection, and reactivation tuberculosis (S. V. Capuano III, D. A. Croix, S. Pawar, A. Zinovik, A. Myers, P. L. Lin, S. Bissel, C. Fuhrman, E. Klein, and J. L. Flynn, Infect. Immun. 71: 5831-5844, 2003). This is the only established model of latent infection, and it provides a unique opportunity to understand host and pathogen differences across of range of disease states. Here, we provide a more extensive and detailed characterization of the gross pathology, microscopic histopathology, and immunologic characteristics of monkeys in each clinical disease category. The data underscore the similarities between human and nonhuman primate M. tuberculosis infection. Furthermore, we describe novel methods of quantifying gross pathology and bacterial burden that distinguish between active disease and latent infection, and we extend the usefulness of this model for comparative studies. Early in infection, an abnormal chest X ray, M. tuberculosis growth by gastric aspirate, and increased mycobacterium-specific gamma interferon (IFN-γ) in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) and bronchoalveolar lavage (BAL) cells were associated with the development of active disease. At necropsy, disease was quantified with respect to pathology and bacterial numbers. Microscopically, a spectrum of granuloma types are seen and differ with disease type. At necropsy, monkeys with active disease had more lung T cells and more IFN-γ from PBMC, BAL, and mediastinal lymph nodes than monkeys with latent infection. Finally, we have observed a spectrum of disease not only in monkeys with active disease but also in those with latent infection that provides insight into human latent tuberculosis.

Abstract CD4 T cells are important in the protective immune response against tuberculosis. Two mouse models deficient in CD4 T cells were used to examine the mechanism by which these cells participate in protection against Mycobacterium tuberculosis challenge. Transgenic mice deficient in either MHC class II or CD4 molecules demonstrated increased susceptibility to M. tuberculosis, compared with wild-type mice. MHC class II−/− mice were more susceptible than CD4−/− mice, as measured by survival following M. tuberculosis challenge, but the relative resistance of CD4−/− mice did not appear to be due to increased numbers of CD4−8− (double-negative) T cells. Analysis of in vivo IFN-γ production in the lungs of infected mice revealed that both mutant mouse strains were only transiently impaired in their ability to produce IFN-γ following infection. At 2 wk postinfection, IFN-γ production, assessed by RT-PCR and intracellular cytokine staining, in the mutant mice was reduced by >50% compared with that in wild-type mice. However, by 4 wk postinfection, both mutant and wild-type mice had similar levels of IFN-γ mRNA and protein production. In CD4 T cell-deficient mice, IFN-γ production was due to CD8 T cells. Thus, the importance of IFN-γ production by CD4 T cells appears to be early in infection, lending support to the hypothesis that early events in M. tuberculosis infection are crucial determinants of the course of infection.

Abstract Macrophages in granulomas are both antimycobacterial effector and host cell for Mycobacterium tuberculosis, yet basic aspects of macrophage diversity and function within the complex structures of granulomas remain poorly understood. To address this, we examined myeloid cell phenotypes and expression of enzymes correlated with host defense in macaque and human granulomas. Macaque granulomas had upregulated inducible and endothelial NO synthase (iNOS and eNOS) and arginase (Arg1 and Arg2) expression and enzyme activity compared with nongranulomatous tissue. Immunohistochemical analysis indicated macrophages adjacent to uninvolved normal tissue were more likely to express CD163, whereas epithelioid macrophages in regions where bacteria reside strongly expressed CD11c, CD68, and HAM56. Calprotectin-positive neutrophils were abundant in regions adjacent to caseum. iNOS, eNOS, Arg1, and Arg2 proteins were identified in macrophages and localized similarly in granulomas across species, with greater eNOS expression and ratio of iNOS/Arg1 expression in epithelioid macrophages as compared with cells in the lymphocyte cuff. iNOS, Arg1, and Arg2 expression in neutrophils was also identified. The combination of phenotypic and functional markers support that macrophages with anti-inflammatory phenotypes localized to outer regions of granulomas, whereas the inner regions were more likely to contain macrophages with proinflammatory, presumably bactericidal, phenotypes. Together, these data support the concept that granulomas have organized microenvironments that balance antimicrobial anti-inflammatory responses to limit pathology in the lungs.

Abstract In 2017 over 550,000 estimated new cases of multi-drug/rifampicin resistant tuberculosis (MDR/RR-TB) occurred, emphasizing a need for new treatment strategies. Linezolid (LZD) is a potent antibiotic for drug-resistant Gram-positive infections and is an effective treatment for TB. However, extended LZD use can lead to LZD-associated host toxicities, most commonly bone marrow suppression. LZD toxicities may be mediated by IL-1, an inflammatory pathway important for early immunity during M. tuberculosis infection. However, IL-1 can contribute to pathology and disease severity late in TB progression. Since IL-1 may contribute to LZD toxicity and does influence TB pathology, we targeted this pathway with a potential host-directed therapy (HDT). We hypothesized LZD efficacy could be enhanced by modulation of IL-1 pathway to reduce bone marrow toxicity and TB associated-inflammation. We used two animal models of TB to test our hypothesis, a TB-susceptible mouse model and clinically relevant cynomolgus macaques. Antagonizing IL-1 in mice with established infection reduced lung neutrophil numbers and partially restored the erythroid progenitor populations that are depleted by LZD. In macaques, we found no conclusive evidence of bone marrow suppression associated with LZD, indicating our treatment time may have been short enough to avoid the toxicities observed in humans. Though treatment was only 4 weeks (the FDA approved regimen at the time of study), we observed sterilization of the majority of granulomas regardless of co-administration of the FDA-approved IL-1 receptor antagonist (IL-1Rn), also known as Anakinra. However total lung inflammation was significantly reduced in macaques treated with IL-1Rn and LZD compared to LZD alone. Importantly, IL-1Rn administration did not impair the host response against Mtb or LZD efficacy in either animal model. Together, our data support that inhibition of IL-1 in combination with LZD has potential to be an effective HDT for TB and the need for further research in this area.

SUMMARY Mycobacterium tuberculosis ( Mtb) , the causative agent of tuberculosis (TB), is a global health concern, yearly resulting in 10 million new cases of active TB. Immunologic investigation of lung granulomas is essential for understanding host control of bacterial replication. We identified and compared the pathological, cellular, and functional differences in granulomas at 4, 12, and 20 weeks post-infection in Chinese cynomolgus macaques. Original granulomas differed in transcription factor expression within adaptive lymphocytes with those at 12 weeks showing higher frequencies of CD8 + T-bet + T cells, while increases in CD4 + T-bet + T cells were observed at 20 weeks post-infection. The appearance of T-bet + adaptive T cells at 12 and 20 weeks was coincident with a reduction in bacterial burden, suggesting their critical role in Mtb control. This study highlights the evolution of T cell responses within lung granulomas, suggesting that vaccines promoting the development and migration of T-bet + T cells would enhance mycobacterial control.

ABSTRACT Immunological priming – either in the context of prior infection or vaccination – elicits protective responses against subsequent Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) infection. However, the changes that occur in the lung cellular milieu post-primary Mtb infection and their contributions to protection upon reinfection remain poorly understood. Here, using clinical and microbiological endpoints in a non-human primate reinfection model, we demonstrate that prior Mtb infection elicits a long-lasting protective response against subsequent Mtb exposure and that the depletion of CD4 + T cells prior to Mtb rechallenge significantly abrogates this protection. Leveraging microbiologic, PET-CT, flow cytometric, and single-cell RNA-seq data from primary infection, reinfection, and reinfection-CD4 + T cell depleted granulomas, we identify differential cellular and microbial features of control. The data collectively demonstrate that the presence of CD4 + T cells in the setting of reinfection results in a reduced inflammatory lung milieu characterized by reprogrammed CD8 + T cell activity, reduced neutrophilia, and blunted type-1 immune signaling among myeloid cells, mitigating Mtb disease severity. These results open avenues for developing vaccines and therapeutics that not only target CD4 + and CD8 + T cells, but also modulate innate immune cells to limit Mtb disease.

Tuberculosis (TB), caused by Mycobacterium tuberculosis (M.tb), is the leading cause of death among HIV positive patients. The precise mechanisms by which HIV impairs host resistance to a subsequent M.tb infection are unknown. We modeled this co-infection in Mauritian cynomolgus macaques (MCM) using SIV as an HIV surrogate. We infected seven MCM with SIVmac239 intrarectally and six months later co-infected them via bronchoscope with ~10 CFU M.tb. Another eight MCM were infected with M.tb alone. TB progression was monitored by clinical parameters, by culturing bacilli in gastric and bronchoalveolar lavages, and by serial 18F-FDG PET/CT imaging. The eight MCM infected with M.tb alone displayed dichotomous susceptibility to TB, with four animals reaching humane endpoint within 13 weeks and four animals surviving >19 weeks post M.tb infection. In stark contrast, all seven SIV+ animals exhibited rapidly progressive TB following co-infection and all reached humane endpoint by 13 weeks. Serial PET/CT imaging confirmed dichotomous outcomes in MCM infected with M.tb alone and marked susceptibility to TB in all SIV+ MCM. Notably, imaging revealed a significant increase in TB granulomas between four and eight weeks post M.tb infection in SIV+, but not in SIV-naive MCM and implies that SIV impairs the ability of animals to contain M.tb dissemination. At necropsy, animals with pre-existing SIV infection had more extrapulmonary TB disease, more overall pathology, and increased bacterial loads than animals infected with M.tb alone. We thus developed a tractable MCM model in which to study SIV-M.tb co-infection and demonstrate that pre-existing SIV dramatically diminishes the ability to control M.tb co-infection.