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 Tuberculosis (TB), caused by Mycobacterium tuberculosis (Mtb), is one of the leading causes of death due to an infectious agent. Coinfection with HIV exacerbates Mtb infection outcomes in people living with HIV (PLWH). Bacillus Calmette-Guérin (BCG), the only approved TB vaccine, is effective in infants, but its efficacy in adolescents and adults is limited. Here, we investigated the immune responses elicited by BCG administered via intravenous (IV) or intradermal (ID) routes in Simian Immunodeficiency Virus (SIV)-infected Mauritian cynomolgus macaques (MCM) without the confounding effects of Mtb challenge. We assessed the impact of vaccination on T cell responses in the airway, blood, and tissues (lung, thoracic lymph nodes, and spleen), as well as the expression of cytokines, cytotoxic molecules, and key transcription factors. Our results showed that IV BCG induces a robust and sustained immune response, including tissue-resident memory T (T RM ) cells in lungs, polyfunctional CD4+ and CD8αβ+ T cells expressing multiple cytokines, and CD8αβ+ T cells and NK cells expressing cytotoxic effectors in airways. We also detected higher levels of mycobacteria-specific IgG and IgM in the airways of IV BCG-vaccinated MCM. Although IV BCG vaccination resulted in an influx of T RM cells in lungs of MCM with controlled SIV replication, MCM with high plasma SIV RNA (>10 5 copies/mL) typically displayed reduced T cell responses, suggesting that uncontrolled SIV or HIV replication would have a detrimental effect on IV BCG-induced protection against Mtb.

Abstract Pre-existing HIV infection increases tuberculosis (TB) risk in children. Antiretroviral therapy (ART) reduces, but does not abolish, this risk in children with HIV. The immunologic mechanisms involved in TB progression in both HIV-naïve and HIV-infected children have not been explored. Much of our current understanding is based on human studies in adults and adult animal models. In this study, we sought to model childhood HIV/ Mycobacterium tuberculosis (Mtb) coinfection in the setting of ART and characterize T cells during TB progression. Macaques equivalent to 4-8 year-old children were intravenously infected with SIVmac239M, treated with ART three months later, and coinfected with Mtb three months after initiating ART. SIV-naïve macaques were similarly infected with Mtb alone. TB pathology and total Mtb burden did not differ between SIV-infected, ART-treated and SIV-naïve macaques, although lung Mtb burden was lower in SIV-infected, ART-treated macaques. No major differences in frequencies of CD4+ and CD8+ T cells and unconventional T cell subsets (Vγ9+ γδ T cells, MAIT cells, and NKT cells) in airways were observed between SIV-infected, ART-treated and SIV-naïve macaques over the course of Mtb infection, with the exception of CCR5+ CD4+ and CD8+ T cells which were slightly lower. CD4+ and CD8+ T cell frequencies did not differ in the lung granulomas obtained at necropsy, nor did they differ in the frequency of immune checkpoint and proliferative markers. Thus, ART treatment of juvenile macaques, three months after SIV infection, resulted in similar progression of Mtb and T cell responses compared to Mtb in SIV-naïve macaques.

Abstract HIV-1 cDNA pre-integration complexes have been shown to persist for weeks in macrophages and to be transcriptionally active. Early and late gene transcripts are produced, along with some viral proteins, yet whole virus is not. While previous work has focused on the transcription and translation of HIV-1 genes; our understanding of cellular milieu that accompanies viral production is incomplete. We have used an in vitro system to model HIV-1 infection of macrophages, and single cell RNA sequencing (scRNA-seq) to compare the transcriptomes of uninfected cells, cells harboring pre-integration HIV-1 complexes (PIC) and those containing integrated provirus and actively making late HIV proteins. These are also compared to control cells, not exposed to virus. Several observations provide new perspective on the effects of HIV-1 transcription from pre-integrated cDNA versus from integrated provirus. First, HIV-1 transcript levels do not necessarily correlate with virus production, cells harboring PIC cDNA have transcript loads comparable to cells transcribing from provirus and making p24, mCherry, and vpu proteins. Second, all HIV-1 transcripts are easily detectable in abundance from PIC cDNA transcription, as is the case with cells transcribing from provirus, although the frequency of PIC cells with detectable gag-pol, tat, env, and nef transcripts is higher than the corresponding frequencies observed for “Provirus cells”. Third, the background transcriptomes of cells harboring pre- integrated HIV-1 cDNA are not otherwise detectably altered from cells not containing any HIV- 1 transcript. Fourth, integration and production of p24, mCherry, and Vpu proteins is accompanied by a switch from transcriptomes characterized by NFkB and AP-1 promoted transcription to a transcriptome characterized by E2F family transcription products. While some of these observations may seem heretical, single cell analysis provides a more nuanced understanding of PIC cDNA transcription and the transcriptomic changes that support HIV-1 protein production from integrated provirus. Author Summary Single cell analysis is able to distinguish between HIV-1 infected macrophage cells that are transcribing pre-integrated HIV-1 cDNA and those transcribing HIV-1 provirus. Only cells transcribing HIV-1 provirus are making p24, marker mCherry and Vpu proteins, which corresponds with a change in the host cell’s background transcriptome from one expressing viral restriction and immunological response genes to one that is expressing genes associated with cell replication and oxidative phosphorylation.

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.

Mucosal associated invariant T (MAIT) cells recognize and can directly destroy bacterially infected cells. While a role for MAIT cells has been suggested in several in vitro and in vivo models of M.tuberculosis (Mtb) infection, these studies have often focused on MAIT cells within the peripheral blood or are cross-sectional studies rather than longitudinal studies. The role of MAIT cells within granulomas and other sites of Mtb infection is relatively unknown. Furthermore, how HIV/SIV infection might impair MAIT cells at the sites of Mtb infection has not been determined. Using a Mauritian cynomolgus macaque (MCM) model system, we phenotyped MAIT cells in the peripheral blood and BAL prior to and during infection with SIVmac239. To characterize the role of MAIT cells within granulomas, SIV+ and -naive MCM were infected with a low dose of Mtb for 6 weeks. MAIT cell frequency and function was examined within the peripheral blood, distal airways, as well as within Mtb-affected lymph nodes (LN) and tissues. Surprisingly, we found no evidence of MAIT cell responsiveness to Mtb within granulomas. Additionally, MAIT cells only minimally responded to mycobacterial stimulus in ex vivo functional assays. In contrast, most MAIT cell activation seemed to occur in samples with highly active SIV replication, including blood and SIV-infected LN. Finally, the ability of MAIT cells to secrete TNFalpha; (TNF) was impaired during SIV and Mtb co-infection, indicating that the two pathogens together could have a synergistically deleterious effect on MAIT cell function. The effect of this functional impairment on overall TB disease burden was unclear, but might be deleterious if MAIT cells are needed to fully activate antimycobacterial immune cells within the granulomas.