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.

Abstract While functions of the gastrointestinal (GI) microbiome include maintenance of immune homeostasis and protection against infectious disease, its role in determining disease severity during Plasmodium infection has been limited to mouse models and observational human cohorts. Here, we performed controlled Plasmodium infection in both humans and rhesus macaques (RMs) to experimentally determine the impact of GI microbiome composition on disease progression. Through analysis of serially collected microbiome samples, we identified a high-risk microbial signature that strongly associated with increased risk of developing severe parasitemia in human participants. Importantly, we identified a parallel phenomenon in RMs. The combined weight of this evidence demonstrates that pre-infection GI microbiome composition is highly indicative of P. falciparum disease risk. Moreover, our observation that P. fragile -microbiome dynamics in RMs closely mirrors P. falciparum -microbiome interactions in humans strongly supports the use of this model in pre-clinical investigations of novel microbiome-targeting approaches to reduce malaria burden.

Zika virus (ZikV) infection during pregnancy can cause congenital Zika syndrome (CZS) and neurodevelopmental delay in non-microcephalic infants, of which the pathogenesis remains poorly understood. We utilized an established pigtail macaque maternal-to-fetal ZikV infection/exposure model to study fetal brain pathophysiology of CZS manifesting from ZikV exposure in utero. We found prenatal ZikV exposure led to profound disruption of fetal myelin, with extensive downregulation in gene expression for key components of oligodendrocyte maturation and myelin production. Immunohistochemical analyses revealed marked decreases in myelin basic protein intensity and myelinated fiber density in ZikV-exposed animals. At the ultrastructural level, the myelin sheath in ZikV-exposed animals showed multi-focal decompaction consistent with perturbation or remodeling of previously formed myelin, occurring concomitant with dysregulation of oligodendrocyte gene expression and maturation. These findings define fetal neuropathological profiles of ZikV-linked brain injury underlying CZS resulting from ZikV exposure in utero. Because myelin is critical for cortical development, ZikV-related perturbations in oligodendrocyte function may have long-term consequences on childhood neurodevelopment, even in the absence of overt microcephaly.

Abstract Zika virus (ZikV) infection during pregnancy can cause congenital Zika syndrome (CZS) and neurodevelopmental delay in infants, of which the pathogenesis remains poorly understood. We utilize an established female pigtail macaque maternal-to-fetal ZikV infection/exposure model to study fetal brain pathophysiology of CZS manifesting from ZikV exposure in utero. We find prenatal ZikV exposure leads to profound disruption of fetal myelin, with extensive downregulation in gene expression for key components of oligodendrocyte maturation and myelin production. Immunohistochemical analyses reveal marked decreases in myelin basic protein intensity and myelinated fiber density in ZikV-exposed animals. At the ultrastructural level, the myelin sheath in ZikV-exposed animals shows multi-focal decompaction, occurring concomitant with dysregulation of oligodendrocyte gene expression and maturation. These findings define fetal neuropathological profiles of ZikV-linked brain injury underlying CZS resulting from ZikV exposure in utero. Because myelin is critical for cortical development, ZikV-related perturbations in oligodendrocyte function may have long-term consequences on childhood neurodevelopment, even in the absence of overt microcephaly.

Abstract Zika virus (ZIKV) infection of central nervous system (CNS) tissue is associated with CNS inflammation, which contributes to ZIKV pathology. Similarly, ZIKV infection has been associated with increased vaginal and rectal mucosal inflammation. As mucosal dysfunction may contribute to elevated systemic inflammation, ZIKV-induced mucosal alterations could potentiate CNS disruptions, leading to ZIKV pathogenesis. However, the potential link between mucosal dysfunction, CNS inflammation and the underlying mechanisms causing these disruptions in ZIKV infection has not been well described. Here, we assessed plasma and CSF indicators of inflammation, including neopterin, tryptophan, kynurenine and serotonin by liquid chromatography tandem mass spectrometry. We observed significant increases in neopterin formation, tryptophan catabolism and serotonin levels in the plasma and CSF of ZIKV-infected pigtail macaques (PTM), rhesus macaques (RM) and in the plasma of ZIKV-infected humans. We next examined whether ZIKV infection resulted in microbial translocation across mucosal surfaces by evaluating plasma and cerebrospinal fluid (CSF) levels of soluble CD14 (sCD14) and lipopolysaccharide-binding protein (LBP) by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). Increased sCD14 was observed in the CSF of PTM and rhesus macaque (RM), while increased LBP was observed in pigtail macaque (PTM) plasma. Finally, to examine whether ZIKV-induced microbial dysbiosis could underlie increased microbial translocation and inflammation, we characterized intestinal microbial communities by 16s rRNA gene sequencing and microbial functional changes by quantifying short-chain fatty acid (SCFA) concentrations by gas chromatography mass spectrometry. We observed that although ZIKV infection of PTM did not result in significant taxonomic shifts in microbial communities, there were significant reductions in SCFA levels. Loss of microbial function in ZIKV infection could cause decreased intestinal integrity, thereby contributing to elevated microbial translocation and systemic and CNS inflammation, providing a possible mechanism underlying ZIKV pathogenesis. Further, this may represent a mechanism underlying inflammation and pathogenesis in other diseases. Author Summary Zika virus (ZIKV) can be transmitted to humans via the bite of an infected mosquito or between humans during sexual intercourse, typically resulting in mild symptoms, which has been linked to elevated inflammation in the CNS and the development of more serious conditions, including severe neurological syndromes. Previous studies have observed that ZIKV infection is associated with increased mucosal dysfunction, including elevated inflammation in rectal and vaginal mucosal tissue. However, the mechanism of ZIKV-induced mucosal dysfunction may contribute to systemic and CNS inflammation has not been previously investigated. Here, we used the non-human primate (NHP) model and clinical specimens from ZIKV-infected humans to examine markers of systemic and CNS inflammation and microbial translocation. We observed elevated markers indicative of microbial translocation and inflammation in the CNS of ZIKV-infected macaques and humans. A potential association with mucosal dysfunction in ZIKV infection is shifts in microbial dysbiosis. We also observed that there were no significant overall taxonomic shifts in microbial communities, but a reduction of bacterial-derived short-chain fatty acid (SCFA) levels. Finally, we observed that the decrease in SCFA levels significantly negatively correlated with the elevated peripheral and CNS inflammatory markers, suggesting a link between ZIKV-driven disease pathology and microbial function. Taken together, our study provides new insight into a previously unconsidered mechanism underlying ZIKV pathogenesis.