There is pressing urgency to understand the pathogenesis of the severe acute respiratory syndrome coronavirus clade 2 (SARS-CoV-2), which causes the disease COVID-19. SARS-CoV-2 spike (S) protein binds angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), and in concert with host proteases, principally transmembrane serine protease 2 (TMPRSS2), promotes cellular entry. The cell subsets targeted by SARS-CoV-2 in host tissues and the factors that regulate ACE2 expression remain unknown. Here, we leverage human, non-human primate, and mouse single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) datasets across health and disease to uncover putative targets of SARS-CoV-2 among tissue-resident cell subsets. We identify ACE2 and TMPRSS2 co-expressing cells within lung type II pneumocytes, ileal absorptive enterocytes, and nasal goblet secretory cells. Strikingly, we discovered that ACE2 is a human interferon-stimulated gene (ISG) in vitro using airway epithelial cells and extend our findings to in vivo viral infections. Our data suggest that SARS-CoV-2 could exploit species-specific interferon-driven upregulation of ACE2, a tissue-protective mediator during lung injury, to enhance infection.

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 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.

Intravenous (IV) BCG delivery provides robust protection against Mycobacterium tuberculosis (Mtb) in macaques but poses safety challenges. Here, we constructed two BCG strains (BCG-TetON-DL and BCG-TetOFF-DL) in which tetracyclines regulate two phage lysin operons. Once the lysins are expressed, these strains are cleared in immunocompetent and immunocompromised mice, yet induced similar immune responses and provided similar protection against Mtb challenge as wild type BCG. Lysin induction resulted in release of intracellular BCG antigens and enhanced cytokine production by macrophages. In macaques, cessation of doxycycline administration resulted in rapid elimination of BCG-TetOFF-DL. However, IV BCG-TetOFF-DL induced increased pulmonary CD4 T cell responses compared to WT BCG and provided robust protection against Mtb challenge, with sterilizing immunity in 6 of 8 macaques, compared to 2 of 8 macaques immunized with WT BCG. Thus, a suicide BCG strain provides an additional measure of safety when delivered intravenously and robust protection against Mtb infection.

Abstract Tuberculosis (TB) is a major cause of morbidity and mortality worldwide despite widespread intradermal (ID) BCG vaccination in newborns. We previously demonstrated that changing the route and dose of BCG vaccination from 5ξ10 5 CFU ID to 5ξ10 7 CFU intravenous (IV) resulted in prevention of infection and disease in a rigorous, highly susceptible non-human primate model of TB. Identifying the immune mechanisms of protection for IV BCG will facilitate development of more effective vaccines against TB. Here, we depleted select lymphocyte subsets in IV BCG vaccinated macaques prior to Mtb challenge to determine the cell types necessary for that protection. Depletion of CD4 T cells or all CD8α expressing lymphoycytes (both innate and adaptive) resulted in loss of protection in most macaques, concomitant with increased bacterial burdens (∼4-5 log10 thoracic CFU) and dissemination of infection. In contrast, depletion of only adaptive CD8αβ+ T cells did not significantly reduce protection against disease. Our results demonstrate that CD4 T cells and innate CD8α+ lymphocytes are critical for IV BCG-induced protection, supporting investigation of how eliciting these cells and their functions can improve future TB vaccines. One Sentence Summary Antibody depletion of lymphocytes in rhesus macques demonstrates key roles for CD4 T cells and innate-like CD8α+ lymphocytes in conferring sterilizing immunity against tuberculosis following intravenous BCG vaccination.