The High-Z Supernova Search is an international collaboration to discover and monitor Type Ia supernovae (SNe Ia) at z > 0.2 with the aim of measuring cosmic deceleration and global curvature. Our collaboration has pursued a basic understanding of supernovae in the nearby universe, discovering and observing a large sample of objects and developing methods to measure accurate distances with SNe Ia. This paper describes the extension of this program to z ≥ 0.2, outlining our search techniques and follow-up program. We have devised high-throughput filters that provide accurate two-color rest frame B and V light curves of SNe Ia, enabling us to produce precise, extinction-corrected luminosity distances in the range 0.25 < z < 0.55. Sources of systematic error from K-corrections, extinction, selection effects, and evolution are investigated, and their effects estimated. We present photometric and spectral observations of SN 1995K, our program's first supernova (SN), and use the data to obtain a precise measurement of the luminosity distance to the z = 0.479 host galaxy. This object, when combined with a nearby sample of SNe, yields an estimate for the matter density of the universe of ΩM=-0.2−0.8+1.0 if ΩΛ = 0. For a spatially flat universe composed of normal matter and a cosmological constant, we find ΩM=0.4−0.4+0.5, Ω=0.6−0.5+0.4. We demonstrate that with a sample of ~30 objects, we should be able to determine relative luminosity distances over the range 0 < z < 0.5 with sufficient precision to measure ΩM with an uncertainty of ±0.2.

We use Type Ia supernovae studied by the High-z Supernova Search Team to constrain the properties of an energy component that may have contributed to accelerating the cosmic expansion. We find that for a flat geometry the equation-of-state parameter for the unknown component, αx = Px/ρx, must be less than -0.55 (95% confidence) for any value of Ωm, and it is further limited to αx < -0.60 (95% confidence) if Ωm is assumed to be greater than 0.1. These values are inconsistent with the unknown component being topological defects such as domain walls, strings, or textures. The supernova (SN) data are consistent with a cosmological constant (αx = -1) or a scalar field that has had, on average, an equation-of-state parameter similar to the cosmological constant value of -1 over the redshift range of z ≈ 1 to the present. SN and cosmic microwave background observations give complementary constraints on the densities of matter and the unknown component. If only matter and vacuum energy are considered, then the current combined data sets provide direct evidence for a spatially flat universe with Ωtot = Ωm + ΩΛ = 0.94 ± 0.26 (1 σ).

We have coordinated Hubble Space Telescope (HST) photometry with ground-based discovery for three supernovae: Type Ia supernovae near z ≈ 0.5 (SN 1997ce, SN 1997cj) and a third event at z = 0.97 (SN 1997ck). The superb spatial resolution of HST separates each supernova from its host galaxy and leads to good precision in the light curves. We use these light curves and relations between luminosity, light-curve shape, and color calibrated from low-z samples to derive relative luminosity distances that are accurate to 10% at z ≈ 0.5 and 20% at z = 1. When the HST sample is combined with the distance to SN 1995K (z = 0.48), analyzed by the same precepts, we find that matter alone is insufficient to produce a flat universe. Specifically, for Ωm+ΩΛ = 1, Ωm is less than 1 with more than 95% confidence, and our best estimate of Ωm is -0.1±0.5 if ΩΛ = 0. Although this result is based on a very small sample whose systematics remain to be explored, it demonstrates the power of HST measurements for high-redshift supernovae.

Abstract Alveolar macrophages (AMs) play a critical role during Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection as the first cells in the lung to encounter bacteria. We previously showed that AMs initially respond to Mtb in vivo by mounting a cell-protective, rather than pro-inflammatory response. However, the plasticity of the initial AM response was unknown. Here, we characterize how previous exposure to mycobacterium , either through subcutaneous vaccination with Mycobacterium bovis (scBCG) or through a contained Mtb infection (coMtb) that mimics aspects of concomitant immunity, impacts the initial response by AMs. We find that both scBCG and coMtb accelerate early innate cell activation and recruitment and generate a stronger pro-inflammatory response to Mtb in vivo by AMs. Within the lung environment, AMs from scBCG vaccinated mice mount a robust interferon-associated response, while AMs from coMtb mice produce a broader inflammatory response that is not dominated by Interferon Stimulated Genes. Using scRNAseq, we identify changes to the frequency and phenotype of airway-resident macrophages following mycobacterium exposure, with enrichment for both interferon-associated and pro-inflammatory populations of AMs. In contrast, minimal changes were found for airway-resident T cells and dendritic cells after exposures. Ex vivo stimulation of AMs with Pam3Cys, LPS and Mtb reveal that scBCG and coMtb exposures generate stronger interferon-associated responses to LPS and Mtb that are cell-intrinsic changes. However, AM profiles that were unique to each exposure modality following Mtb infection in vivo are dependent on the lung environment and do not emerge following ex vivo stimulation. Overall, our studies reveal significant and durable remodeling of AMs following exposure to mycobacterium, with evidence for both AM-intrinsic changes and contributions from the altered lung microenvironments. Comparisons between the scBCG and coMtb models highlight the plasticity of AMs in the airway and opportunities to target their function through vaccination or host-directed therapies. Author Summary Tuberculosis, a disease caused by the bacteria Mycobacterium tuberculosis (Mtb), claims around 1.6 million lives each year, making it one of the leading causes of death worldwide by an infectious agent. Based on principles of conventional immunological memory, prior exposure to either Mtb or M. bovis BCG leads to antigen-specific long-lasting changes to the adaptive immune response that can be effective at protecting against subsequent challenge. However, how these exposures may also impact the innate immune response is less understood. Alveolar macrophages are tissue-resident myeloid cells that play an important role during Mtb infection as innate immune sentinels in the lung and the first host cells to respond to infection. Here, we examined how prior mycobacterium exposure, either through BCG vaccination or a model of contained Mtb infection impacts the early innate response by alveolar macrophages. We find that prior exposure remodels the alveolar macrophage response to Mtb through both cell-intrinsic changes and signals that depend on the altered lung environment. These findings suggest that the early innate immune response could be targeted through vaccination or host-directed therapy and could complement existing strategies to enhance the host response to Mtb.

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.

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.

Alveolar macrophages (AMs) are lower-airway resident myeloid cells and are among the first to respond to inhaled pathogens. Here, we interrogate AM innate sensing to Pathogen Associated Molecular Patterns (PAMPs) and determine AMs have decreased responses to low-dose LPS compared to other macrophages, as measured by TNF, IL-6,

Alveolar macrophages (AMs) are the first cells to be infected during Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection. Thus the AM response to infection is the first of many steps leading to initiation of the adaptive immune response, which is required for efficient control of infection. A hallmark of Mtb infection is the delay of the adaptive response, yet the mechanisms responsible for this delay are largely unknown. We developed a system to identify, sort and analyze Mtb-infected AMs from the lung within the first 10 days of infection. In contrast to what has been previously described using in vitro systems, we find that Mtb-infected AMs up-regulate a cell-protective antioxidant transcriptional signature that is dependent on the lung environment and not dependent on bacterial virulence. Computational approaches including pathway analysis and transcription factor binding motif enrichment analysis identify Nrf2 as a master regulator of the response of AMs to Mtb infection. Using knock-out mouse models, we demonstrate that Nrf2 drives the expression of the cell protective transcriptional program and impairs the ability of the host to control bacterial growth over the first 10 days of infection. Mtb-infected AMs exhibit a highly delayed pro-inflammatory response, and comparisons with uninfected AMs from the same infected animals demonstrate that inflammatory signals in the lung environment are blocked in the Mtb-infected cells. Thus, we have identified a novel lung-specific transcriptional response to Mtb infection that impedes AMs from responding rapidly to intracellular infection and thereby hinders the overall immune response.