Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection is initiated in the distal airways, but the bacteria ultimately disseminate to the lung interstitium. Although various cell types, including alveolar macrophages (AM), neutrophils, and permissive monocytes, are known to be infected with Mtb, the initially infected cells as well as those that mediate dissemination from the alveoli to the lung interstitium are unknown. In this study, using a murine infection model, we reveal that early, productive Mtb infection occurs almost exclusively within airway-resident AM. Thereafter Mtb-infected, but not uninfected, AM localize to the lung interstitium through mechanisms requiring an intact Mtb ESX-1 secretion system. Relocalization of infected AM precedes Mtb uptake by recruited monocyte-derived macrophages and neutrophils. This dissemination process is driven by non-hematopoietic host MyD88/interleukin-1 receptor inflammasome signaling. Thus, interleukin-1-mediated crosstalk between Mtb-infected AM and non-hematopoietic cells promotes pulmonary Mtb infection by enabling infected cells to disseminate from the alveoli to the lung interstitium.

Recently developed approaches for highly multiplexed imaging have revealed complex patterns of cellular positioning and cell-cell interactions with important roles in both cellular- and tissue-level physiology. However, tools to quantitatively study cellular patterning and tissue architecture are currently lacking. Here, we develop a spatial analysis toolbox, the histo-cytometric multidimensional analysis pipeline (CytoMAP), which incorporates data clustering, positional correlation, dimensionality reduction, and 2D/3D region reconstruction to identify localized cellular networks and reveal features of tissue organization. We apply CytoMAP to study the microanatomy of innate immune subsets in murine lymph nodes (LNs) and reveal mutually exclusive segregation of migratory dendritic cells (DCs), regionalized compartmentalization of SIRPα

Summary Pulmonary Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection results in highly heterogeneous lesions ranging from granulomas with central necrosis to those primarily comprised of alveolitis. While alveolitis has been associated with prior immunity in human post-mortem studies, the drivers of these distinct pathologic outcomes are poorly understood. Here, we show that these divergent lesion structures can be modeled in C3HeB/FeJ mice and are regulated by prior immunity. Using quantitative imaging, scRNAseq, and flow cytometry, we demonstrate that Mtb infection in the absence of prior immunity elicits dysregulated neutrophil recruitment and necrotic granulomas. In contrast, prior immunity induces rapid recruitment and activation of T cells, local macrophage activation, and diminished late neutrophil responses. Depletion studies at distinct infection stages demonstrated that neutrophils are required for early necrosis initiation and necrosis propagation at chronic stages, whereas early CD4 T cell responses prevent neutrophil feedforward circuits and necrosis. Together, these studies reveal fundamental determinants of tuberculosis lesion structure and pathogenesis, which have important implications for new strategies to prevent or treat tuberculosis.

Recently developed approaches for highly-multiplexed 2-dimensional (2D) and 3D imaging have revealed complex patterns of cellular positioning and cell-cell interactions with important roles in both cellular and tissue level physiology. However, robust and accessible tools to quantitatively study cellular patterning and tissue architecture are currently lacking. Here, we developed a spatial analysis toolbox, Histo-Cytometric Multidimensional Analysis Pipeline (CytoMAP), which incorporates neural network based data clustering, positional correlation, dimensionality reduction, and 2D/3D region reconstruction to identify localized cellular networks and reveal fundamental features of tissue organization. We apply CytoMAP to study the microanatomy of innate immune subsets in murine lymph nodes (LNs) and reveal mutually exclusive segregation of migratory dendritic cells (DCs), regionalized compartmentalization of SIRPa− dermal DCs, as well as preferential association of resident DCs with select LN vasculature. These studies provide new insights into the organization of myeloid cells in LNs, and demonstrate that CytoMAP is a comprehensive analytics toolbox for revealing fundamental features of tissue organization in quantitative imaging datasets.

Interferon gamma (IFNɣ) produced by CD4 T cells is required for immune containment of Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection. Despite this, IFNɣ plays a minor role in CD4 T cell-mediated immunity within the lung. In this study, we use a recently-developed murine model of physiologic Mtb infection coupled with advanced quantitative imaging to demonstrate that IFNɣ production by Mtb-specific T cells is rapidly extinguished within the granuloma, but not in unaffected areas of the lung. This is mediated via localized immunosuppression through cell-intrinsic TGFβ signaling in effector T helper 1 cells within the granuloma, and blockade of TGFβ signaling in T cells results in improved immune cell function and decreased pulmonary bacterial burden. These findings uncover a potent immunosuppressive mechanism associated with Mtb infection and provide potential targets for host-directed therapy.

ABSTRACT T cells producing interferon gamma (IFNγ) have long been considered a stalwart for immune protection against Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ), but their relative importance to pulmonary immunity has been challenged by murine studies which achieved protection by adoptively transferred Mtb -specific IFNγ -/- T cells. Using IFNγ -/- T cell chimeric mice and adoptive transfer of IFNγ -/- T cells into TCRβ -/- δ -/- mice, we demonstrate that control of lung Mtb burden is in fact dependent on T cell-derived IFNγ, and furthermore, mice selectively deficient in T cell-derived IFNγ develop exacerbated disease compared to T cell-deficient controls despite equivalent lung bacterial burdens. Deficiency in T cell-derived IFNγ skews infected and bystander monocyte-derived macrophages (MDMs) to an alternative M2 phenotype, and promotes neutrophil and eosinophil influx. Our studies support an important role for T cell-derived IFNγ in pulmonary immunity against TB.

Abstract Relative deficiency of TOLLIP expression in monocytes is associated with increased tuberculosis (TB) susceptibility in genetic studies, despite antagonizing host innate immune pathways that control Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection. In this study, we investigated the mechanisms by which TOLLIP influences Mtb immunity. Tollip -/- mice developed worsened disease, consistent with prior genetic observations, and developed large numbers of foam cells. Selective TOLLIP deletion in alveolar macrophages (AM) was sufficient to induce lipid accumulation and increased Mtb persistence 28 days after infection, despite increased antimicrobial responses. We analyzed sorted, Mtb-infected Tollip -/- AM from mixed bone marrow chimeric mice to measure global gene expression 28 days post-infection. We found transcriptional profiles consistent with increased EIF2 signaling. Selective lipid administration to Tollip -/- macrophages induced lipid accumulation, and Mtb infection of lipid laden, Tollip -/- macrophages induced cellular stress and impaired Mtb control. EIF2 activation induced increased Mtb replication within macrophages, irrespective of TOLLIP expression, and EIF2 kinases were enriched in human caseous granulomas. Our findings define a critical checkpoint for TOLLIP to prevent lipid-induced EIF2 activation and demonstrate an important mechanism for EIF2 signaling to permit Mtb replication within macrophages.

Abstract Bacillus Calmette–Guérin (BCG) remains the only clinically approved tuberculosis (TB) vaccine despite limited efficacy. Preclinical studies of next generation TB vaccines have typically used a murine aerosol challenge model that employs a high supraphysiologic challenge dose. Here we show that the protective efficacy of a live attenuated Mycobacterium tuberculosis (Mtb) vaccine candidate ΔLprG markedly exceeds that of BCG in a low dose murine aerosol challenge model. BCG vaccination reduced bacterial loads but failed to prevent establishment or dissemination of infection in this model. In contrast, ΔLprG prevented detectable infection in 61% of mice and resulted in striking anatomic containment of 100% breakthrough infections to a single lung. Protection was partially abrogated in a repeated low dose challenge model, which revealed serum IL-17A, IL-6, CXCL2, CCL2, IFN-γ, and CXCL1 as correlates of protection. These data demonstrate that ΔLprG provides strikingly increased protection compared to BCG, including reduced detectable infection and anatomic containment, in a low dose murine challenge model.

Despite widespread immunization with Bacille-Calmette-Guerin (BCG), the only currently licensed tuberculosis (TB) vaccine, TB remains a leading cause of mortality globally. There are many TB vaccine candidates in the developmental pipeline, but the lack of a robust animal model to assess vaccine efficacy has hindered our ability to prioritize candidates for human clinical trials. Here we use a murine ultra-low dose (ULD) Mycobacterium tuberculosis (Mtb) challenge model to assess protection conferred by BCG vaccination. We show that BCGconfers a reduction in lung bacterial burdens that is more durable than that observed afterconventional dose challenge, curbs Mtb dissemination to the contralateral lung, and, in a smallpercentage of mice, prevents detectable infection. These findings are consistent with the ability of human BCG vaccination to mediate protection, particularly against disseminated disease, in specific human populations and clinical settings. Overall, our findings demonstrate that the ultra-low dose Mtb infection model can measure distinct parameters of immune protection that cannot be assessed in conventional dose murine infection models and could provide an improved platform for TB vaccine testing.

An efficacious vaccine against adult tuberculosis (TB) remains elusive. Progress is hampered by an incomplete understanding of the immune mechanisms that protect against infection with Mycobacterium tuberculosis (Mtb), the causative agent of TB. Over 90% of people who become infected with Mtb mount an immune response that contains the bacteria indefinitely, leading to a state known as latent TB infection (LTBI). A significant body of epidemiologic evidence indicates that LTBI protects against active TB after re-exposure, offering an intriguing avenue to identifying protective mechanisms. We show that in a mouse model, LTBI is highly protective against infection with Mtb for up to 100 days following aerosol challenge. LTBI mice are also protected against heterologous bacterial challenge (Listeria monocytogenes) and disseminated melanoma suggesting that protection is in part mediated by alterations in the activation state of the innate immune system. Protection is associated with elevated activation of alveolar macrophages (AM), the first cells that respond to inhaled Mtb, and accelerated recruitment of Mtb-specific T cells to the lung parenchyma upon aerosol challenge. Systems approaches, including transcriptome analysis of both naive and infected AMs, as well as ex vivo functional assays, demonstrate that LTBI reconfigures the response of tissue resident AMs. Furthermore, we demonstrate that both LTBI mice and latently infected humans show similar alterations in the relative proportions of circulating innate immune cells, suggesting that the same cellular changes observed in the LTBI mouse model are also occurring in humans. Therefore, we argue that under certain circumstances, LTBI could be beneficial to the host by providing protection against subsequent Mtb exposure.