Abstract Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) disrupts glycolytic flux in infected myeloid cells through an unclear mechanism. Flux through the glycolytic pathway in myeloid cells is inextricably linked to the availability of NAD + , which is maintained by NAD + salvage and lactate metabolism. Using lung tissue from tuberculosis (TB) patients and myeloid deficient LDHA ( Ldha LysM−/− ) mice, we demonstrate that glycolysis in myeloid cells is essential for protective immunity in TB. Glycolytic myeloid cells are essential for the early recruitment of multiple classes of immune cells and the protective effects of IFNγ. We identified NAD + depletion as central to the glycolytic inhibition caused by Mtb . Lastly, we show that the NAD + precursor nicotinamide exerts a host-directed, antimycobacterial effect, and that nicotinamide prophylaxis and treatment reduces Mtb lung burden in vivo . These findings provide new insight into how Mtb alters host metabolism through perturbation of NAD(H) homeostasis and reprogramming of glycolysis, highlighting this pathway as a potential therapeutic target.

Abstract Our current understanding of the pathophysiology of human pulmonary TB is limited by the paucity of human TB lung tissue for study and reliance on 2D analytical methods. Here, to overcome the limitations of conventional 2D histopathology, we used high-resolution 3D X-ray imaging (µCT/nCT) to characterize necrotic lesions within human tuberculous lung tissues in relation to the airways and vasculature. We observed marked heterogeneity in the 3D structure and volume of lesions. Also, 3D imaging of large human TB lung sections provides unanticipated new insight into the spatial organization of TB lesions in relation to airways and the vascular system. Contrary to the current dogma depicting granulomas as simple spherical structures, we show that TB lesions exhibit complex, cylindrical, branched-type morphologies, which are connected to, and shaped by, the small airways. Our results highlight the likelihood that a single structurally complex lesion could be wrongly viewed as multiple independent lesions when evaluated in 2D. These findings have strong implications for understanding the pathophysiology and evolution of TB disease and suggest that aerosolized drug delivery strategies for TB should be reconsidered.

The ability to detect evidence of Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection within human tissues is critical to the study of Mtb physiology, tropism, and spatial distribution within TB lesions. The capacity of the widely-used Ziehl-Neelsen (ZN) staining method for identifying Mtb acid-fast bacilli (AFB) in tissue is highly variable, which can limit detection of Mtb bacilli for research and diagnostic purposes. Here, we sought to circumvent these limitations via detection of Mtb mRNA and secreted antigens in human tuberculous tissue.

ABSTRACT Rationale Accurate TB diagnosis is hampered by the variable efficacy of the widely-used Ziehl-Neelsen (ZN) staining method to identify Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) acid-fast bacilli (AFB). Here, we sought to circumvent this current limitation through direct detection of Mtb mRNA. Objectives To employ RNAscope to determine the spatial distribution of Mtb mRNA within tuberculous human tissue, to appraise ZN-negative tissue from confirmed TB patients, and to provide proof-of-concept of RNAscope as a platform to inform TB diagnosis and Mtb biology. Methods We examined ante- and postmortem human TB tissue using RNAscope to detect Mtb mRNA and a dual ZN/immunohistochemistry staining approach to identify AFB and bacilli producing antigen 85B (Ag85B). Measurements and main results We adapted RNAscope for Mtb and identified intact and disintegrated Mtb bacilli and intra- and extracellular Mtb mRNA. Mtb mRNA was distributed zonally within necrotic and non-necrotic granulomas. We also found Mtb mRNA within, and adjacent to, necrotic granulomas in ZN-negative lung tissue and in Ag85B-positive bronchial epithelium. Intriguingly, we observed accumulation of Mtb mRNA and Ag85B in the cytoplasm of host cells. Notably, many AFB were negative for Ag85B staining. Mtb mRNA was observed in ZN-negative antemortem lymph node biopsies. Conclusions RNAscope has diagnostic potential and can guide therapeutic intervention as it detects Mtb mRNA and morphology in ZN-negative tissues from TB patients, and Mtb mRNA in ZN-negative antemortem biopsies, respectively. Lastly, our data provide evidence that at least two phenotypically distinct populations of Mtb bacilli exist in vivo .