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.

Lung granulomas are the pathologic hallmark of tuberculosis (TB). T cells are a major cellular component of TB lung granulomas and are known to play an important role in containment of Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection. We used cynomolgus macaques, a non-human primate model that recapitulates human TB with clinically active disease, latent infection or early infection, to understand functional characteristics and dynamics of T cells in individual granulomas. We sought to correlate T cell cytokine response and bacterial burden of each granuloma, as well as granuloma and systemic responses in individual animals. Our results support that each granuloma within an individual host is independent with respect to total cell numbers, proportion of T cells, pattern of cytokine response, and bacterial burden. The spectrum of these components overlaps greatly amongst animals with different clinical status, indicating that a diversity of granulomas exists within an individual host. On average only about 8% of T cells from granulomas respond with cytokine production after stimulation with Mtb specific antigens, and few "multi-functional" T cells were observed. However, granulomas were found to be "multi-functional" with respect to the combinations of functional T cells that were identified among lesions from individual animals. Although the responses generally overlapped, sterile granulomas had modestly higher frequencies of T cells making IL-17, TNF and any of T-1 (IFN-γ, IL-2, or TNF) and/or T-17 (IL-17) cytokines than non-sterile granulomas. An inverse correlation was observed between bacterial burden with TNF and T-1/T-17 responses in individual granulomas, and a combinatorial analysis of pair-wise cytokine responses indicated that granulomas with T cells producing both pro- and anti-inflammatory cytokines (e.g. IL-10 and IL-17) were associated with clearance of Mtb. Preliminary evaluation suggests that systemic responses in the blood do not accurately reflect local T cell responses within granulomas.

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.

SUMMARY Blood-based correlates of vaccine-induced protection against tuberculosis (TB) are urgently needed. We analyzed the blood transcriptome of rhesus macaques immunized with varying doses of intravenous (IV) BCG followed by Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) challenge. We used high-dose IV BCG recipients for “discovery” and validated our findings in low-dose recipients and in an independent cohort of macaques receiving BCG via different routes. We identified seven vaccine-induced gene modules, including an innate module (module 1) enriched for type 1 interferon and RIG-I-like receptor signaling pathways. Module 1 on day 2 post-vaccination was highly correlated with lung antigen-responsive CD4 T cells at week 8 and with Mtb and granuloma burden following challenge. Parsimonious signatures within module 1 at day 2 post-vaccination predicted protection following challenge with AUROCs ≥ 0.91. Together these results indicate that the early innate transcriptional response to IV BCG in peripheral blood may provide a robust correlate of protection against TB.

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.

Abstract Individuals infected with both HIV and Mycobacterium tuberculosis (Mtb) are more likely to develop severe Tuberculosis (TB) disease than HIV-naïve individuals. To understand how a chronic pre-existing Simian immunodeficiency virus (SIV) infection impairs the early immune response to Mtb, we used the Mauritian cynomolgus macaque (MCM) model of SIV/Mtb co-infection. We examined the relationship between peripheral viral control and Mtb burden, Mtb dissemination, and immunological function between SIV+ spontaneous controllers, SIV+ non-controllers, and SIV-naïve MCM who were challenged with a barcoded Mtb Erdman strain and necropsied six weeks post infection. Mycobacterial burden was highest in the SIV+ non-controllers in all assessed tissues. In lung granulomas, we found the frequency of CD4+ T cells producing TNFα was reduced in all SIV+ MCM, but CD4+ T cells producing IFNγ were only lower in the SIV+ non-controllers. Further, while all SIV+ MCM had more PD1+ and TIGIT+ T cells in the lung granulomas relative to SIV-naïve MCM, SIV+ controllers exhibited the highest frequency of cells expressing these markers. To measure the effect of SIV infection on within-host bacterial dissemination, we sequenced the molecular barcodes of Mtb present in each tissue and characterized the complexity of the Mtb populations. While Mtb population complexity was not associated with infection group, lymph nodes had increased complexity when compared to lung granulomas across all groups. These results provide evidence SIV+ animals, independent of viral control, exhibit dysregulated immune responses and enhanced dissemination of Mtb, likely contributing to the poor TB disease course across all SIV/Mtb co-infected animals. Importance HIV and TB remain significant global health issues, despite the availability of treatments. Individuals with HIV, including those who are virally suppressed, are at an increased risk to develop and succumb to severe TB disease when compared to HIV-naïve individuals. Our study aims to understand the relationship between SIV replication, mycobacterial growth, and immunological function in the tissues of co-infected Mauritian cynomolgus macaques during the early phase of Mtb infection. Here we demonstrate that increased viral replication is associated with increased bacterial burden in the tissues and impaired immunologic responses, and that the damage attributed to virus infection is not fully eliminated when animals spontaneously control virus replication.

Abstract Tuberculosis (TB) is the leading infectious cause of death among people living with HIV (PLHIV). PLHIV are more susceptible to contracting Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) infection and often have worsened TB disease. Understanding the immunologic defects caused by HIV and the consequences it has on Mtb co-infection is critical in combating this global health epidemic. We previously established a model of simian immunodeficiency virus (SIV) and Mtb co-infection in Mauritian cynomolgus macaques (MCM), and showed that SIV/ Mtb co-infected MCM had rapidly progressive TB. We hypothesized that pre-existing SIV infection impairs early T cell responses to Mtb infection. To test our hypothesis, we infected MCM with SIVmac239 intrarectally followed by co-infection with a low dose of Mtb Erdman 6 months later. SIV-naïve MCM were infected with Mtb alone as controls. Six weeks after Mtb infection, animals were necropsied and immune responses were measured by multiparameter flow cytometry. While the two groups exhibited similar TB progression at time of necropsy (Nx), longitudinal sampling of the blood (PBMC) and airways (BAL) revealed a significant reduction in circulating CD4+ T cells and an influx of CD8+ T cells in airways following Mtb co-infection of SIV+ animals. Differences in the activation markers CD69, PD-1, and TIGIT were observed. At sites of Mtb infection ( i.e. granulomas), SIV/ Mtb co-infected animals had a higher proportion of CD4+ and CD8+ T cells expressing PD-1 and TIGIT. In addition, there were fewer TNF-producing CD4+ and CD8+ T cells in granulomas and airways of SIV/ Mtb co-infected animals. Taken together, we show that concurrent SIV infection alters T cell phenotypes in granulomas during the early stages of TB disease. As it is critical to establish control of Mtb replication soon after infection, these phenotypic changes may distinguish the immune dysfunction that arises from pre-existing SIV infection which promotes TB progression. Author Summary People living with HIV are incredibly susceptible to TB and, when co-infected with Mtb , often develop serious TB disease. We do not yet understand precisely how HIV infection impairs the early stages of the adaptive immune response against Mtb bacilli. We employed a non-human primate model of HIV, using SIV as a surrogate for HIV, followed by Mtb co-infection to investigate the immunologic defects associated with pre-existing SIV infection over the first six weeks of Mtb co-infection. Our study focused on CD4+ and CD8+ T cells as these cells are known to play an important role in Mtb control. We found more CD8+ T cells in granulomas, the sites of Mtb infection, from SIV/ Mtb co-infected animals, with little difference in CD4+ T cells. SIV/ Mtb co-infected animals and animals infected with SIV alone had a higher proportion of both CD4+ and CD8+ T cells expressing activation markers compared to SIV-naïve animals, consistent with SIV-dependent immune activation. Notably, we observed a lower proportion of TNF-producing T cells, a cytokine critical for Mtb control, in granulomas and airways of SIV/ Mtb co-infected animals. Taken together, these data show that pre-existing SIV alters T cell phenotypes and reduces TNF responses early in Mtb infection.

ABSTRACT Despite the extensive research on CD4 T cells within the context of Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection, few studies have focused on identifying and investigating the profile of Mtb-specific T cells within lung granulomas. To facilitate identification of Mtb-specific CD4 T cells, we identified immunodominant epitopes for two Mtb proteins, Rv1196 and Rv0125, using a Mauritian cynomolgus macaque model of Mtb infection, providing data for the synthesis of MHC Class II tetramers. Using tetramers, we identified Mtb-specific cells within different immune compartments post-infection. We found that granulomas were enriched sites for Mtb-specific cells and that tetramer + cells had increased frequencies of the activation marker CD69, and transcription factors T-bet and RORγT, compared to tetramer negative cells within the same sample. Our data revealed that while the frequency of Rv1196 tetramer + cells was positively correlated with granuloma bacterial burden, the frequency of RORγT or T-bet within tetramer + cells was inversely correlated with granuloma bacterial burden highlighting the importance of having activated, functional Mtb-specific cells for control of Mtb in lung granulomas.

Abstract Children living with HIV have a higher risk of developing tuberculosis (TB), a disease caused by the bacterium Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Gamma delta (γδ) T cells in the context of HIV/Mtb coinfection have been understudied in children, despite in vitro evidence suggesting γδ T cells assist with Mtb control. We investigated whether boosting a specific subset of γδ T cells, phosphoantigen-reactive Vγ9+Vδ2+ cells, could improve TB outcome using a nonhuman primate model of pediatric HIV/Mtb coinfection. Juvenile Mauritian cynomolgus macaques (MCM), equivalent to 4–8-year-old children, were infected intravenously (i.v.) with SIV. After 6 months, MCM were coinfected with a low dose of Mtb and then randomized to receive zoledronate (ZOL), a drug that increases phosphoantigen levels, (n=5; i.v.) at 3- and 17-days after Mtb accompanied by recombinant human IL-2 (s.c.) for 5 days following each ZOL injection. A similarly coinfected MCM group (n=5) was injected with saline as a control. Vγ9+Vδ2+ γδ T cell frequencies spiked in the blood, but not airways, of ZOL+IL-2-treated MCM following the first dose, however, were refractory to the second dose. At necropsy eight weeks after Mtb, ZOL+IL-2 treatment did not reduce pathology or bacterial burden. γδ T cell subset frequencies in granulomas did not differ between treatment groups. These data show that transiently boosting peripheral γδ T cells with ZOL+IL-2 soon after Mtb coinfection of SIV-infected MCM did not improve Mtb host defense.

Retrospective epidemiological studies suggest that the licensed serogroup B meningococcal vaccine 4CMenB (Bexsero) provides some protection against the closely related pathogen Neisseria gonorrhoeae in humans. This result has been replicated in murine models of gonococcal colonization, with a gonococci-reactive humoral response and more rapid clearance of vaginal infection. However, immunization with Bexsero consistently elicits a robust humoral response but does not protect all individuals, so the correlates of protection remain undefined. Herein, we exploit the fact that Bexsero promotes clearance in only a subset of immunized mice to perform a broad analysis of the adaptive response in animals that are or are not protected. We observe that Bexsero vaccination induces high levels of anti-neisserial antibodies in both serum and the vaginal lumen, and a robust cellular response highlighted by an increase in both conventional naive and memory populations as well as unconventional lymphocyte subsets. Multiplex and flow cytometry results show that Bexsero vaccination generates a robust, multi-faceted cytokine response that spans numerous T cell subsets (TH1, TH2, Treg and TH17 responses) and that non-T non-B lymphocytes play an important role in this response, as indicated by an unbiased principal component analysis. Together, this work provides the first comprehensive analysis of the robust humoral and complex cellular response to Bexsero so as to reveal the effector mechanisms that may contribute to immunity against vaginal gonococcal infection.